JP4283079B2 - Semiconductor optoelectronic waveguide - Google Patents

Semiconductor optoelectronic waveguide Download PDF

Info

Publication number
JP4283079B2
JP4283079B2 JP2003346286A JP2003346286A JP4283079B2 JP 4283079 B2 JP4283079 B2 JP 4283079B2 JP 2003346286 A JP2003346286 A JP 2003346286A JP 2003346286 A JP2003346286 A JP 2003346286A JP 4283079 B2 JP4283079 B2 JP 4283079B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor
layer
clad layer
waveguide
type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2003346286A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2005114867A (en
Inventor
忠夫 石橋
精後 安藤
健 都築
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Electronics Corp
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
NTT Electronics Corp
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NTT Electronics Corp, Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical NTT Electronics Corp
Priority to JP2003346286A priority Critical patent/JP4283079B2/en
Publication of JP2005114867A publication Critical patent/JP2005114867A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4283079B2 publication Critical patent/JP4283079B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Description

本発明は、半導体光電子導波路に関し、より詳細には、nin形ヘテロ構造を用いた光電子導波路の電気分離領域構造を有し、長波長帯の超高速光変調器に用いる半導体光電子導波路に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor optoelectronic waveguide, and more particularly to a semiconductor optoelectronic waveguide having an electrical isolation region structure of an optoelectronic waveguide using a nin type heterostructure and used for an ultrafast optical modulator in a long wavelength band. Is.

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ようになったが、長距離になるほど光ファイバの分散効果の影響が生じやすいため、波長チャーピングの少ない、もしくは波長チャーピングの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(LN)導波路で構成されたLN変調器である。 In recent years, large-capacity optical communication systems have transmitted optical signals modulated at a high speed of Gbit / s or higher. However, the longer the distance, the more likely the influence of the dispersion effect of the optical fiber occurs. It is necessary to use an optical signal with a small amount or controlled wavelength chirping. For this purpose, an optical signal is generated not by direct modulation of the laser diode but by a configuration in which a laser diode that is normally operated in direct current and an external modulator are combined. A conventional typical external modulator used for long-distance transmission is an LN modulator composed of a LiNbO 3 (LN) waveguide.

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、入力電気信号を、屈折率変化を介して光に位相変化を与えることによるものであり、光位相変調器やマッハツェンダ干渉計を組んだ光強度変調器、または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。   The principle of operation of this type of optical modulator is that the optical waveguide is coupled with an electrical waveguide (photoelectron waveguide) to apply a refractive index change based on the electro-optic effect, and the input electrical signal is transmitted via the refractive index change. It is possible to function as an optical switch having a higher function by combining a light intensity modulator with an optical phase modulator or a Mach-Zehnder interferometer, or by combining a number of waveguides. .

しかしながら、LN変調器は、LiNbO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、導波路長が比較的長く、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。さらに、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。このようなことから、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問題があった。 However, since LNbO 3 is a dielectric material, the LN modulator requires advanced manufacturing techniques for stabilizing the material surface and processing the waveguide. Further, it is necessary to use special photolithography having a relatively long waveguide length and different from that of a normal semiconductor process. Further, the size of the package for mounting the LN modulator must be increased. For this reason, the manufacturing cost of the LN modulator module is high, and the size of the optical transmitter is relatively large.

また、LN変調器と同様の動作原理を用いた半導体光変調器も存在する。半絶縁性のGaAsにショッ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光変調器などである。ただし、これらの半導体光変調器は、前者については、導波路長が長く、電気ロスが大きいという問題があり、後者については、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動作電圧を低くできないという問題がある。最近、これらの問題を避ける構造として、InP/InGaAsP光変調器の両側のクラッド層ともn形としたもの(いわゆるnin形構造)が提案されている。   There is also a semiconductor optical modulator using the same operating principle as the LN modulator. Using a GaAs optical modulator or hetero pn junction with a Schottky electrode in semi-insulating GaAs and using it as a photoelectron waveguide, a voltage is effectively applied to the core portion of the waveguide along with light confinement. InP / InGaAsP optical modulator and the like. However, these semiconductor optical modulators have a problem that the former has a long waveguide length and a large electric loss, and the latter has a problem that the light absorption of the p-cladding layer is large and the waveguide cannot be made long. There is a problem that cannot be lowered. Recently, as a structure for avoiding these problems, a structure in which the clad layers on both sides of the InP / InGaAsP optical modulator are n-type (so-called nin-type structure) has been proposed.

図4は、従来のnin形構造を有する半導体光変調器の構成図で、図中符号41はn形の第3の半導体クラッド層、42はp形の第5の半導体クラッド層、43は第1の半導体クラッド層、44は電気光学効果を有する半導体コア層、45は第2の半導体クラッド層、46はn形の第4の半導体クラッド層、47,48はn電極、49は凹状のエッチングで形成された電気分離領域を示している。この凹状のエッチング部分に半絶縁性半導体を再成長した電気分離構造も報告されているが(例えば、特許文献1参照)、より構造は複雑になるので、光変調器には必ずしも最適な手法ではない。   FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional semiconductor optical modulator having a nin-type structure. In FIG. 4, reference numeral 41 denotes an n-type third semiconductor clad layer, 42 denotes a p-type fifth semiconductor clad layer, and 43 denotes a first semiconductor clad layer. 1 is a semiconductor core layer having an electro-optic effect, 45 is a second semiconductor cladding layer, 46 is an n-type fourth semiconductor cladding layer, 47 and 48 are n-electrodes, and 49 is a concave etching. The electric isolation area | region formed by is shown. Although an electrical isolation structure in which a semi-insulating semiconductor is regrown on the concave etched portion has been reported (see, for example, Patent Document 1), the structure becomes more complicated. Absent.

n形の第3の半導体クラッド層41上には、p形の第5の半導体クラッド層42と第1の半導体クラッド層43とが順次積層され、その第1の半導体クラッド層43と第2の半導体クラッド層45とで挟まれるように、電気光学効果を有する半導体コア層44が設けられている。さらに、第2の半導体クラッド層45上には、凹状のエッチングで形成された電気分離領域49を有するn形の第4の半導体クラッド層46が積層されている。この第4の半導体クラッド層46上には電極48が設けられているとともに、第3の半導体クラッド層41の凸状部の両側には電極47が設けられている。   On the n-type third semiconductor clad layer 41, a p-type fifth semiconductor clad layer 42 and a first semiconductor clad layer 43 are sequentially laminated, and the first semiconductor clad layer 43 and the second semiconductor clad layer 43 are stacked. A semiconductor core layer 44 having an electro-optic effect is provided so as to be sandwiched between the semiconductor clad layer 45. Further, an n-type fourth semiconductor cladding layer 46 having an electrical isolation region 49 formed by concave etching is laminated on the second semiconductor cladding layer 45. An electrode 48 is provided on the fourth semiconductor clad layer 46, and electrodes 47 are provided on both sides of the convex portion of the third semiconductor clad layer 41.

図4に示した導波路構造では、n形InPクラッド層46の一部を凹状にエッチングして電気分離領域49を設けているので、クラッド層の厚が変わる部分で光伝搬モードの変化が生じ、その結果、光散乱ロスが発生していた。また、従来の導波路構造では、第4の半導体クラッド層46のエッチングが比較的深く、その制御性が問題となっていた。   In the waveguide structure shown in FIG. 4, since the electrical isolation region 49 is provided by etching a part of the n-type InP cladding layer 46 into a concave shape, the light propagation mode changes at the portion where the thickness of the cladding layer changes. As a result, light scattering loss occurred. In the conventional waveguide structure, the etching of the fourth semiconductor clad layer 46 is relatively deep, and its controllability is a problem.

特開2003−177368号公報JP 2003-177368 A

しかしながら、このnin形InP/InGaAsP光変調器の典型的な構造においては、変調を行う導波路部分(変調部)とその外側の接続導波路部分の電気分離を、一部の上層nクラッド層46の一部を除去することによって行われているため、導波路に凹部49が生じてしまっていた。これは、接続導波路から電気分離領域部分、電気分離領域部分から主導波路部分において、光の伝搬モード変化に伴う光ロスが生じるという問題がある。さらには、電気分離領域部分(凹部)の直下には一定の厚さ以上の高抵抗クラッド層を残す必要があるため、その高抵抗クラッド層厚を薄くして半導体コア層44に効果的に電界を印加することができない(変調効率が悪い)という問題もあった。   However, in the typical structure of this nin-type InP / InGaAsP optical modulator, the electrical separation between the waveguide portion (modulation portion) for modulation and the connection waveguide portion outside thereof is performed by partially separating the upper n-cladding layer 46. Since this is done by removing a part of the groove, the concave portion 49 is generated in the waveguide. This has a problem that an optical loss due to a change in the propagation mode of light occurs from the connection waveguide to the electrical isolation region portion and from the electrical isolation region portion to the main waveguide portion. Furthermore, since it is necessary to leave a high-resistance cladding layer having a certain thickness or more immediately below the electrical isolation region portion (concave portion), the high-resistance cladding layer is thinned so that an electric field is effectively applied to the semiconductor core layer 44. There is also a problem that it cannot be applied (modulation efficiency is poor).

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、nin形InP/InGaAsP光変調器導波路の変調部接続導部との間に形成される電気分離部の構造に起因する、光ロスと変調効率が悪いという問題を解決し、変調器の駆動電圧をさらに下げる構造を実現するようにした半導体光電子導波路を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an electrical separation unit formed between the modulation unit connection conductor of the nin-type InP / InGaAsP optical modulator waveguide. An object of the present invention is to provide a semiconductor optoelectronic waveguide that solves the problems of optical loss and modulation efficiency caused by the structure and realizes a structure that further reduces the driving voltage of the modulator.

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、電気光学効果を有する半導体コア層と、該半導体コア層の上下を挟み、かつ該半導体コア層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と、該第1の半導体クラッド層の下に配置され、n形のドーパントを含む第3の半導体クラッド層と、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とを少なくとも備えた半導体ヘテロ構造の積層体からなる半導体光電子導波路であって、基板側に前記第1及び第3の半導体クラッド層を配置し、該第1の半導体クラッド層と前記第3の半導体クラッド層間に、p形のドーパントを含み、かつ前記半導体コア層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の半導体クラッド層内の一部にn形の主領域が形成され、他の領域は高抵抗を保ち、前記第4の半導体クラッド層の前記n形主領域と、前記第3の半導体クラッド層のそれぞれに独立な電極が設けられ、前記半導体コア層に電圧が印加される構造を有することを特徴とする。   The present invention has been made to achieve such an object, and the invention according to claim 1 includes a semiconductor core layer having an electro-optic effect, and a semiconductor core layer sandwiched between the upper and lower sides of the semiconductor core layer. A first semiconductor clad layer having a larger band gap than the first layer, a third semiconductor clad layer disposed under the first semiconductor clad layer and including an n-type dopant, and the second semiconductor A semiconductor optoelectronic waveguide comprising a semiconductor heterostructure stack including at least a fourth semiconductor cladding layer disposed on the cladding layer, wherein the first and third semiconductor cladding layers are disposed on the substrate side. A fifth semiconductor layer containing a p-type dopant and having a larger band gap than the semiconductor core layer is inserted between the first semiconductor clad layer and the third semiconductor clad layer; An n-type main region is formed in a part of the fourth semiconductor clad layer, and other regions maintain high resistance, and the n-type main region of the fourth semiconductor clad layer and the third semiconductor clad Each of the layers is provided with an independent electrode, and a voltage is applied to the semiconductor core layer.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第4の半導体クラッド層のn形主領域のドナー濃度が導波路の垂直断面において分布し、該導波路の中心部のドナー濃度を前記半導体コア層側に張り出した凸状としたことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the donor concentration of the n-type main region of the fourth semiconductor cladding layer is distributed in the vertical cross section of the waveguide, and the center of the waveguide It is characterized in that the donor concentration of the part is a convex shape protruding to the semiconductor core layer side.

また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記第4の半導体クラッド層の高抵抗領域を挟んだ該第4の半導体クラッド層のn形主領域の反対側に、さらに2ヶ所のn形領域とn電極が形成され、該n電極が前記第3の半導体クラッド層の前記n電極と接続されていることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the n-type main region of the fourth semiconductor clad layer is opposite to the high-resistance region of the fourth semiconductor clad layer. Further, two n-type regions and an n electrode are formed on the side, and the n electrode is connected to the n electrode of the third semiconductor clad layer.

以上説明したように、本発明によれば、nin形InP/InGaAsP光変調器導波路の変調部接続導部との間に形成される電気分離部の構造に起因する、光ロスと変調効率が悪いという問題を解決し、変調器の駆動電圧をさらに下げる構造を実現するようにした半導体光電子導波路を提供することができる。   As described above, according to the present invention, the optical loss and the modulation efficiency caused by the structure of the electrical separation portion formed between the modulation portion connecting conductor of the nin-type InP / InGaAsP optical modulator waveguide are reduced. It is possible to provide a semiconductor optoelectronic waveguide which solves the problem of being bad and realizes a structure for further reducing the driving voltage of the modulator.

また、従来の凹部形成による電気分離領域と比較して、光モードの伝搬に大きな影響を与えることがなく、光ロスの問題を解決し、また、制御性よく安定に光変調部と電気分離領域を有する半導体光電子導波路を提供することができる。   In addition, compared with the conventional electrical isolation region due to the formation of recesses, it does not significantly affect the propagation of the optical mode, solves the problem of optical loss, and stably controls the light modulation unit and the electrical isolation region. It is possible to provide a semiconductor optoelectronic waveguide having:

また、導波路の電気信号伝搬速度とインピーダンスを変えることなく、コア部分に電界を効果的に印加して、変調に必要な動作電圧を下げることができる。   In addition, an electric field can be effectively applied to the core portion without changing the electric signal propagation speed and impedance of the waveguide, thereby reducing the operating voltage required for modulation.

さらに、駆動電圧が低いという特徴を有する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、入力光電力や電気入力信号電力の低減をとおして、光変調器モジュールの低消費電力化、低価格化に寄与することができる。   In addition, it is effective in stably realizing the characteristics of optical modulators using nin-type heterostructures with low drive voltage characteristics, and optical modulation is achieved through reduction of input optical power and electrical input signal power. This can contribute to lower power consumption and cost of the module.

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明に係る半導体光電子導波路の実施例1を説明するための構成図で、図中符号11はn形の第3の半導体クラッド層、12はp形の第5の半導体クラッド層、13は第1の半導体クラッド層、14は電気光学効果を有する半導体コア層、15は第2の半導体クラッド層、16は第4の半導体クラッド層、17は第4の半導体クラッド層16のn形部分(光変調導波路部分)、18,19はn電極を示している。   FIG. 1 is a configuration diagram for explaining a first embodiment of a semiconductor optoelectronic waveguide according to the present invention, in which reference numeral 11 denotes an n-type third semiconductor cladding layer, and 12 denotes a p-type fifth semiconductor cladding. 13 is a first semiconductor clad layer, 14 is a semiconductor core layer having an electro-optic effect, 15 is a second semiconductor clad layer, 16 is a fourth semiconductor clad layer, and 17 is a fourth semiconductor clad layer 16. N-type portions (light modulation waveguide portions) 18 and 19 indicate n electrodes.

n形の第3の半導体クラッド層11上には、p形の第5の半導体クラッド層12と第1の半導体クラッド層13とが順次積層され、その第1の半導体クラッド層13と第2の半導体クラッド層15とで挟まれるようにして、電気光学効果を有する半導体コア層14が設けられている。さらに、第2の半導体クラッド層15上には、n形部分(光変調導波路部分)17を有する第4の半導体クラッド層16が積層されている。この第4の半導体クラッド層16上には電極19が設けられているとともに、第3の半導体クラッド層11の凸状部の両側には電極18が設けられている。   A p-type fifth semiconductor cladding layer 12 and a first semiconductor cladding layer 13 are sequentially stacked on the n-type third semiconductor cladding layer 11, and the first semiconductor cladding layer 13 and the second semiconductor cladding layer 13 are stacked. A semiconductor core layer 14 having an electro-optic effect is provided so as to be sandwiched between the semiconductor cladding layers 15. Further, a fourth semiconductor clad layer 16 having an n-type portion (light modulation waveguide portion) 17 is laminated on the second semiconductor clad layer 15. An electrode 19 is provided on the fourth semiconductor clad layer 16, and electrodes 18 are provided on both sides of the convex portion of the third semiconductor clad layer 11.

つまり、本発明の半導体光電子導波路は、電気光学効果を有する半導体コア層14と、この半導体コア層14の上下を挟み、かつ半導体コア層14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13、15と、この第1の半導体クラッド層13の下に配置され、n形のドーパントを含む第3の半導体クラッド層11と、第2の半導体クラッド層15の上に配置された第4の半導体クラッド層16とを少なくとも備えた半導体ヘテロ構造の積層体からなっている。   That is, the semiconductor optoelectronic waveguide of the present invention includes the semiconductor core layer 14 having an electro-optic effect, and the first and second semiconductors sandwiching the upper and lower sides of the semiconductor core layer 14 and having a band gap larger than that of the semiconductor core layer 14. Cladding layers 13 and 15, a first semiconductor clad layer 13 disposed below the first semiconductor clad layer 13, and a third semiconductor clad layer 11 including an n-type dopant and a second semiconductor clad layer 15 disposed on the second semiconductor clad layer 15. 4 of a semiconductor heterostructure including at least four semiconductor clad layers 16.

基板(図示せず)側に第1及び第3の半導体クラッド層13、11を配置し、この第1の半導体クラッド層13と第3の半導体クラッド層11の間に、p形のドーパントを含み、かつ半導体コア層14よりもバンドギャップの大きな第5の半導体層12が挿入され、第4の半導体クラッド層16内の一部にn形の主領域が形成され、他の領域は高抵抗を保ち、第4の半導体クラッド層16のn形主領域と、第3の半導体クラッド層11のそれぞれに独立な電極が設けられ、半導体コア層14に電圧が印加される構造を有している。   First and third semiconductor clad layers 13 and 11 are disposed on the substrate (not shown) side, and a p-type dopant is included between the first semiconductor clad layer 13 and the third semiconductor clad layer 11. In addition, the fifth semiconductor layer 12 having a larger band gap than the semiconductor core layer 14 is inserted, an n-type main region is formed in a part of the fourth semiconductor cladding layer 16, and the other region has a high resistance. In addition, the n-type main region of the fourth semiconductor clad layer 16 and the third semiconductor clad layer 11 are provided with independent electrodes, respectively, so that a voltage is applied to the semiconductor core layer 14.

このように、図示されていない基板側から、第3のInPn形クラッド層11と、p形のドーパントを含む第5のInPクラッド層12と、通常は低ドーピング濃度の第1のInGaAlAsクラッド層13と、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14とが積層されていて、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なっている。   As described above, from the substrate side (not shown), the third InPn-type clad layer 11, the fifth InP clad layer 12 containing the p-type dopant, and the first InGaAlAs clad layer 13 usually having a low doping concentration. And a semiconductor core layer 14 whose structure is determined so that the electro-optic effect works effectively at the operating light wavelength and the light absorption does not become a problem. If it exists, it has a multiple quantum well structure in which the Ga / Al composition layer of InGaAlAs is changed into a quantum well layer and a barrier layer, respectively.

さらに、半導体コア層14上には、低ドーピング濃度の第2のInGaAlAsクラッド層15と、第4の高抵抗InPクラッド層16が配置されている。電極18に対して電極19を正の極性として電圧を印加する。動作状態で使用する印加電圧範囲で、第5のInPクラッド層12から第2のInPクラッド層15はすべてが空乏化され、また、n形InPクラッド層16は一部のみ空乏化されている。第5のInPクラッド層12がp形であるので電子に対するポテンシャルバリアとして働くので、リーク電流の発生が少ない状態でコア層に電圧を印加することが可能となる。このn形InP領域は、例えば、第3の半導体クラッド層11から第4の半導体クラッド層16までの層を成長後に、符号17に相当する部分をエッチングで取り除きn形InPを再成長するか、第4の半導体クラッド層16の一部にイオン注入法でSiドナーを導入することにより形成できる。   Furthermore, a low doping concentration second InGaAlAs cladding layer 15 and a fourth high resistance InP cladding layer 16 are disposed on the semiconductor core layer 14. A voltage is applied to the electrode 18 with the electrode 19 as a positive polarity. In the applied voltage range used in the operating state, the fifth InP cladding layer 12 to the second InP cladding layer 15 are all depleted, and the n-type InP cladding layer 16 is only partially depleted. Since the fifth InP clad layer 12 is p-type, it acts as a potential barrier against electrons, so that it is possible to apply a voltage to the core layer with little leakage current. In this n-type InP region, for example, after the layers from the third semiconductor clad layer 11 to the fourth semiconductor clad layer 16 are grown, the portion corresponding to the reference numeral 17 is removed by etching, and the n-type InP is regrown, or It can be formed by introducing Si donor into a part of the fourth semiconductor clad layer 16 by ion implantation.

このデバイスを光電子導波路として機能させるには、図1に示したメサ構造の断面と垂直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、第3のInPn形クラッド層11と第2のInPクラッド層15間に電圧が印加される状態とし、電気光学効果に基づく光位相の変調を行う。通常、光変調器として光電子導波路を用いる際には、電極19から電圧が印加される光変調導波路部と、この光変調導波路部の光入力/出力側に接続導波路が配置され、それらの間を電気的に分離する必要がある。   In order for this device to function as an optoelectronic waveguide, an electric signal is input to the electrode 18 in a state where light is propagated in a direction perpendicular to the cross section of the mesa structure shown in FIG. 1, and the third InPn clad layer 11 and A voltage is applied between the second InP cladding layers 15 and the optical phase is modulated based on the electro-optic effect. Normally, when an optoelectronic waveguide is used as an optical modulator, a light modulation waveguide portion to which a voltage is applied from the electrode 19 and a connection waveguide are arranged on the light input / output side of the light modulation waveguide portion, It is necessary to electrically separate them.

本実施例1の構造においては、符号17で示した部分が選択的にn形領域となっており、第4の半導体クラッド層16が高抵抗となっているので、光の伝搬モードに影響を与えることなく、電気入力を光変調導波路部に印加することができる。すなわち、図4に示した従来の導波路構造では、n形InPクラッド層46の一部を凹状にエッチングして電気分離領域49を設けていたので、クラッド層の厚さが変わる部分で光伝搬モードの変化が生じ、その結果、光散乱ロスが発生していた。一方、本実施例1の構造では、導波路の形状が保たれるので、そのような光伝搬モードの変化に伴う光散乱ロスは起こらない。また、従来の構造では、第4の半導体クラッド層46のエッチングが比較的深く、その制御性が問題となっていたが、本実施例1の構造では、n形領域の下面位置を自由に設定することができるので、半導体コア層により高い電界を誘起することができる。結局、本実施例1の構造は、電気分離領域の形成に起因する従来の光電子導波路の問題を改善するものであり、光ロスを下げることにより光変換器の出力を増大させ、光変調効率を上げることができる。   In the structure of the first embodiment, the portion indicated by reference numeral 17 is selectively an n-type region, and the fourth semiconductor cladding layer 16 has a high resistance, so that the light propagation mode is affected. The electric input can be applied to the light modulation waveguide portion without giving. That is, in the conventional waveguide structure shown in FIG. 4, since the electrical isolation region 49 is provided by etching a part of the n-type InP cladding layer 46 into a concave shape, the light propagation occurs at the portion where the thickness of the cladding layer changes. A mode change occurred, resulting in a light scattering loss. On the other hand, in the structure of the first embodiment, since the shape of the waveguide is maintained, no light scattering loss accompanying such a change in the light propagation mode occurs. In the conventional structure, the etching of the fourth semiconductor clad layer 46 is relatively deep, and its controllability is a problem. However, in the structure of the first embodiment, the position of the lower surface of the n-type region can be freely set. Therefore, a high electric field can be induced in the semiconductor core layer. As a result, the structure of the first embodiment improves the problem of the conventional optoelectronic waveguide caused by the formation of the electrical isolation region, and increases the output of the optical converter by reducing the optical loss, thereby improving the optical modulation efficiency. Can be raised.

図2(a)〜(c)は、本発明に係る半導体光電子導波路の実施例2を説明するための構成図で、図2(a)は断面図、図2(b)は光伝搬モードのコア部分の電界強度と電気信号のコア部分の電界強度分布図、図2(c)は本実施例2の他の例を示す図である。   FIGS. 2A to 2C are configuration diagrams for explaining a second embodiment of the semiconductor optoelectronic waveguide according to the present invention, FIG. 2A is a cross-sectional view, and FIG. 2B is a light propagation mode. FIG. 2C is a diagram showing another example of the second embodiment.

図中符号21はn形の第3の半導体クラッド層、22はp形の第5の半導体クラッド層、23は第1の半導体クラッド層、24は電気光学効果を有する半導体コア層、25は第2の半導体クラッド層、26は第4の半導体クラッド層、27,27aは第4の半導体クラッド層のn形部分(光変調導波路部分)、27bは低誘電率絶縁体層、28,29はn電極を示している。なお、光変調導波路部分27,27a,27b以外の積層構造は、図1の実施例1と同様である。   In the figure, reference numeral 21 denotes an n-type third semiconductor cladding layer, 22 denotes a p-type fifth semiconductor cladding layer, 23 denotes a first semiconductor cladding layer, 24 denotes a semiconductor core layer having an electro-optic effect, and 25 denotes a first semiconductor cladding layer. 2 is a fourth semiconductor cladding layer, 27 and 27a are n-type portions (light modulation waveguide portions) of the fourth semiconductor cladding layer, 27b is a low dielectric constant insulator layer, and 28 and 29 are An n-electrode is shown. The laminated structure other than the light modulation waveguide portions 27, 27a, 27b is the same as that of the first embodiment shown in FIG.

上述した実施例1では、光変調導波路部分17のn形InPクラッド層の下面位置が平坦になっているが、本実施例2では、光変調導波路部である上部n形InPクラッド層の光変調導波路部分27を、そのドナー濃度が導波路の垂直断面において、導波路の中心部で半導体コア層側に張り出した凸状としたものである。この凸状のn形InP領域は、例えば、第3の半導体クラッド層21から第4の半導体クラッド層26までの層を成長後に、光変調導波路部分27に相当する部分をエッチングで取り除きn形InPを再成長するか、第4の半導体クラッド層26の一部にイオン注入法でSiドナーを選択的に導入することにより形成できる。   In the first embodiment described above, the lower surface position of the n-type InP cladding layer of the light modulation waveguide portion 17 is flat. However, in the second embodiment, the upper n-type InP cladding layer that is the light modulation waveguide portion is arranged. The light modulation waveguide portion 27 has a convex shape in which the donor concentration protrudes toward the semiconductor core layer at the center of the waveguide in the vertical cross section of the waveguide. The convex n-type InP region is formed, for example, by growing a layer from the third semiconductor clad layer 21 to the fourth semiconductor clad layer 26 and then removing a portion corresponding to the light modulation waveguide portion 27 by etching. It can be formed by regrowth of InP or by selectively introducing Si donor into a part of the fourth semiconductor clad layer 26 by ion implantation.

図2(b)に示したように、n形InPクラッド層のドナー濃度分布が半導体コア層側に凸状となっていると、この半導体コア層の電界強度分布は、導波路の中心部で高く、周辺で低くなる。光電伝搬モードの電界強度分布もまた導波路の中心で高いので、平坦なコア層の電界強度分布の場合に比べ、より効果的に光変調を行うことができる。すなわち、単位長さあたりの導波路の容量が一定(特性インピーダンス、電気信号伝搬速度一定)の条件で比較するならば、容量を導波路の中心で大きく、周辺で小さくなる分布を取った方が、単位導波路長あたりの(光強度×電界強度)の積分値が大きくすることができる。結局、光変調効果がより効率的となり、同一の導波路長であれば駆動電圧をより低く、同一の駆動電圧であれば導波路長をより短くすることができる。   As shown in FIG. 2B, when the donor concentration distribution of the n-type InP cladding layer is convex toward the semiconductor core layer, the electric field intensity distribution of the semiconductor core layer is obtained at the center of the waveguide. Higher and lower at the periphery. Since the electric field intensity distribution in the photoelectric propagation mode is also high at the center of the waveguide, light modulation can be performed more effectively than in the case of the electric field intensity distribution of the flat core layer. That is, if the comparison is made under the condition that the waveguide capacity per unit length is constant (characteristic impedance and electric signal propagation speed is constant), it is better to take a distribution where the capacitance is larger at the center of the waveguide and smaller at the periphery. The integrated value of (light intensity × electric field intensity) per unit waveguide length can be increased. Eventually, the light modulation effect becomes more efficient, and the drive voltage can be lowered with the same waveguide length, and the waveguide length can be shortened with the same drive voltage.

図2(c)に示す構造は、図2(a)に示す構造の変形例であり、上部n形InPクラッド層の光変調導波路部分27aを導波路の中心寄り部分のみに残した例である。電極29の直下のn層がない部分に、誘電率の低いSiOなどの材料27bを挿入することで、その部分の容量を下げることが可能となる。結局、n領域わき部分の容量が下がる分だけ、半導体コア層の中心部の容量を上げることができることになり、より一層、半導体コア層に電界を印加することができる。 The structure shown in FIG. 2C is a modification of the structure shown in FIG. 2A, in which the light modulation waveguide portion 27a of the upper n-type InP cladding layer is left only in the portion near the center of the waveguide. is there. By inserting a material 27b such as SiO 2 having a low dielectric constant into a portion where there is no n layer directly under the electrode 29, the capacitance of that portion can be lowered. Eventually, the capacity of the central portion of the semiconductor core layer can be increased by the amount that the capacity of the portion adjacent to the n region decreases, and an electric field can be further applied to the semiconductor core layer.

図3は、本発明に係る半導体光電子導波路の実施例3を説明するための構成図で、図中符号31はn形の第3の半導体クラッド層、32はp形の第5の半導体クラッド層、33は第1の半導体クラッド層、34は電気光学効果を有する半導体コア層、35は第2の半導体クラッド層、36は第4の半導体クラッド層、37aは第4の半導体クラッド層のn形部分(光変調導波路部分)、37bは第4の半導体クラッド層の接続導波路部分、38,39はn電極、40a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、40b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を示している。なお、導波路部分37a、37b、電極40a及び配線40b以外の積層構造は、図1の実施例1と同様である。   FIG. 3 is a block diagram for explaining Example 3 of the semiconductor optoelectronic waveguide according to the present invention, in which reference numeral 31 denotes an n-type third semiconductor cladding layer, and 32 denotes a p-type fifth semiconductor cladding. 33, a first semiconductor clad layer, 34 a semiconductor core layer having an electro-optic effect, 35 a second semiconductor clad layer, 36 a fourth semiconductor clad layer, and 37a an n of the fourth semiconductor clad layer. Shaped portion (light modulation waveguide portion), 37b is a connecting waveguide portion of the fourth semiconductor cladding layer, 38 and 39 are n electrodes, 40a is an electrode formed in the connecting waveguide portion of the fourth semiconductor cladding layer, Reference numeral 40b denotes a wiring in which the connecting waveguide portion of the fourth semiconductor clad layer has the same potential as that of the third clad layer. The laminated structure other than the waveguide portions 37a and 37b, the electrode 40a, and the wiring 40b is the same as that of the first embodiment shown in FIG.

電気分離領域を挟んで光変調導波路部27aと対抗する部分の第4の半導体クラッド層36にn電極39を形成してこれを接続導波路37bとし、その電位を第3の半導体クラッド層31と同電位とするものである。電気分離領域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、主導波路部分は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、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。   An n-electrode 39 is formed on a portion of the fourth semiconductor clad layer 36 that opposes the light modulation waveguide portion 27a across the electric isolation region, and this is used as a connection waveguide 37b. And the same potential. When the resistance of the electrical isolation region is not sufficiently high, the potential that the potential outside the electrical isolation region rises and a bias voltage is applied to the main waveguide portion can be eliminated. Here, the conductivity type of the connection waveguide may be p, n, or a depletion layer. This is because in either case, the current does not flow due to the forward bias between the modulation waveguide portion.

なお、上述した各実施例では、InPとInAlGaAsを材料とする実施例について説明したが、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。また、本発明の光電子導波路を半導体レーザと集積化することができるのは、技術的には電界吸収形光変調器と半導体レーザと集積化する手法と同じであることは言うまでもないことである。   In the above-described embodiments, the embodiments using InP and InAlGaAs as materials are described. However, the embodiments are similarly applied to an optoelectronic waveguide structure using other III-V group compound semiconductors including AlGaAs and InGaAsP. it can. It is needless to say that the optoelectronic waveguide of the present invention can be integrated with a semiconductor laser in the same manner as the technique of integrating with an electroabsorption optical modulator and a semiconductor laser. .

本発明は、nin形ヘテロ構造を用いた光電子導波路の電気分離領域構造を有し、長波長帯の超高速光変調器に用いる半導体光電子導波路に関するもので、nin形InP/InGaAsP光変調器導波路の変調部接続導部との間に形成される電気分離部の構造に起因する、光ロスと変調効率が悪いという問題を解決し、変調器の駆動電圧をさらに下げる構造を実現するようにした半導体光電子導波路を提供することができる。   The present invention relates to a semiconductor optoelectronic waveguide having an electrical isolation region structure of an optoelectronic waveguide using a nin type heterostructure, and used for an ultrahigh speed optical modulator in a long wavelength band, and relates to a nin type InP / InGaAsP optical modulator. To solve the problems of optical loss and poor modulation efficiency caused by the structure of the electrical separation part formed between the modulation part connection waveguide part of the waveguide and to realize a structure that further reduces the drive voltage of the modulator A semiconductor optoelectronic waveguide can be provided.

本発明に係る半導体光電子導波路の実施例1を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating Example 1 of the semiconductor optoelectronic waveguide which concerns on this invention. 本発明に係る半導体光電子導波路の実施例2を説明するための構成図で、(a)は断面図、(b)は光伝搬モードのコア部分の電界強度と電気信号のコア部分の電界強度分布図、(c)は本実施例2の他の例を示す図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a block diagram for demonstrating Example 2 of the semiconductor optoelectronic waveguide based on this invention, (a) is sectional drawing, (b) is the electric field strength of the core part of an optical propagation mode, and the electric field intensity of the core part of an electric signal Distribution diagram (c) is a diagram showing another example of the second embodiment. 本発明に係る半導体光電子導波路の実施例3を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating Example 3 of the semiconductor optoelectronic waveguide concerning this invention. 従来のnin形構造を有する半導体光変調器の構成図である。It is a block diagram of the semiconductor optical modulator which has the conventional nin-type structure.

符号の説明Explanation of symbols

11,21,31 n形の第3の半導体クラッド層
12,22,32 p形の第5の半導体クラッド層
13,23,33 第1の半導体クラッド層
14,24,34 電気光学効果を有する半導体コア層
15,25,35 第2の半導体クラッド層
16,26,36 第4の半導体クラッド層
17,27,27a,37a 第4の半導体クラッド層のn形部分(光変調導波路部分)
18,19,28,29,38,39 n電極
27b 低誘電率絶縁体層
37b 第4の半導体クラッド層の接続導波路部分
40a 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
40b 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
41 n形の第3の半導体クラッド層
42 p形の第5の半導体クラッド層
43 第1の半導体クラッド層
44 電気光学効果を有する半導体コア層
45 第2の半導体クラッド層
46 n形の第4の半導体クラッド層
47,48 n電極
49 凹状のエッチングで形成された電気分離領域
11, 21, 31 n-type third semiconductor clad layer 12, 22, 32 p-type fifth semiconductor clad layer 13, 23, 33 First semiconductor clad layer 14, 24, 34 Semiconductor having electro-optic effect Core layer 15, 25, 35 Second semiconductor clad layer 16, 26, 36 Fourth semiconductor clad layer 17, 27, 27a, 37a n-type portion (light modulation waveguide portion) of fourth semiconductor clad layer
18, 19, 28, 29, 38, 39 n-electrode 27b low dielectric constant insulator layer 37b connection waveguide portion 40a of fourth semiconductor cladding layer electrode 40b formed on connection waveguide portion of fourth semiconductor cladding layer Wiring for connecting the waveguide portion of the fourth semiconductor clad layer to the same potential as the third clad layer 41 n-type third semiconductor clad layer 42 p-type fifth semiconductor clad layer 43 first semiconductor clad layer 44 Semiconductor core layer having electro-optic effect 45 Second semiconductor clad layer 46 n-type fourth semiconductor clad layer 47, 48 n electrode 49 Electrical isolation region formed by concave etching

Claims (3)

電気光学効果を有する半導体コア層と、該半導体コア層の上下を挟み、かつ該半導体コア層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と、該第1の半導体クラッド層の下に配置され、n形のドーパントを含む第3の半導体クラッド層と、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とを少なくとも備えた半導体ヘテロ構造の積層体からなる半導体光電子導波路であって、
基板側に前記第1及び第3の半導体クラッド層を配置し、該第1の半導体クラッド層と前記第3の半導体クラッド層間に、p形のドーパントを含み、かつ前記半導体コア層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の半導体クラッド層内の一部にn形の主領域が形成され、他の領域は高抵抗を保ち、前記第4の半導体クラッド層の前記n形主領域と、前記第3の半導体クラッド層のそれぞれに独立な電極が設けられ、前記半導体コア層に電圧が印加される構造を有することを特徴とする半導体光電子導波路。
A semiconductor core layer having an electro-optic effect, first and second semiconductor clad layers sandwiching the upper and lower sides of the semiconductor core layer and having a larger band gap than the semiconductor core layer, and under the first semiconductor clad layer And a semiconductor heterostructure stack including at least a third semiconductor clad layer containing an n-type dopant and a fourth semiconductor clad layer arranged on the second semiconductor clad layer. A semiconductor optoelectronic waveguide comprising:
The first and third semiconductor clad layers are disposed on the substrate side, the p-type dopant is included between the first semiconductor clad layer and the third semiconductor clad layer, and the band gap is larger than that of the semiconductor core layer. A large fifth semiconductor layer is inserted,
An n-type main region is formed in a part of the fourth semiconductor clad layer, the other region maintains a high resistance, and the n-type main region of the fourth semiconductor clad layer and the third semiconductor A semiconductor optoelectronic waveguide characterized in that an independent electrode is provided on each of the cladding layers, and a voltage is applied to the semiconductor core layer.
前記第4の半導体クラッド層のn形主領域のドナー濃度が導波路の垂直断面において分布し、該導波路の中心部のドナー濃度を前記半導体コア層側に張り出した凸状としたことを特徴とする請求項1に記載の半導体光電子導波路。   The donor concentration of the n-type main region of the fourth semiconductor clad layer is distributed in a vertical cross section of the waveguide, and the donor concentration at the center of the waveguide is a convex shape protruding to the semiconductor core layer side. The semiconductor optoelectronic waveguide according to claim 1. 前記第4の半導体クラッド層の高抵抗領域を挟んだ該第4の半導体クラッド層のn形主領域の反対側に、さらに2ヶ所のn形領域とn電極が形成され、該n電極が前記第3の半導体クラッド層の前記n電極と接続されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体光電子導波路。   Two n-type regions and an n-electrode are further formed on the opposite side of the n-type main region of the fourth semiconductor clad layer across the high-resistance region of the fourth semiconductor clad layer. The semiconductor optoelectronic waveguide according to claim 1, wherein the semiconductor optoelectronic waveguide is connected to the n electrode of a third semiconductor clad layer.
JP2003346286A 2003-10-03 2003-10-03 Semiconductor optoelectronic waveguide Expired - Fee Related JP4283079B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003346286A JP4283079B2 (en) 2003-10-03 2003-10-03 Semiconductor optoelectronic waveguide

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003346286A JP4283079B2 (en) 2003-10-03 2003-10-03 Semiconductor optoelectronic waveguide

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005114867A JP2005114867A (en) 2005-04-28
JP4283079B2 true JP4283079B2 (en) 2009-06-24

Family

ID=34539285

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003346286A Expired - Fee Related JP4283079B2 (en) 2003-10-03 2003-10-03 Semiconductor optoelectronic waveguide

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4283079B2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005114867A (en) 2005-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6455338B1 (en) Method of manufacturing an integrated semiconductor laser-modulator device
US7199441B2 (en) Optical module device driven by a single power supply
US8031984B2 (en) Semiconductor optical modulator
JP5144306B2 (en) Optical semiconductor device and manufacturing method thereof
WO2016194369A1 (en) Semiconductor optical modulation element
JPH08220496A (en) Semiconductor optical modulation element
JP5170236B2 (en) Waveguide type semiconductor optical modulator and manufacturing method thereof
JP2606079B2 (en) Optical semiconductor device
JP5257638B2 (en) Semiconductor optical modulator and semiconductor Mach-Zehnder optical modulator
JP5497678B2 (en) Semiconductor optical integrated device
JP2005116644A (en) Semiconductor opto-electronic waveguide
US7787736B2 (en) Semiconductor optoelectronic waveguide
JP6939411B2 (en) Semiconductor optical device
US6602432B2 (en) Electroabsorption modulator, and fabricating method of the same
JP4105618B2 (en) Semiconductor optical modulation waveguide
JP4283079B2 (en) Semiconductor optoelectronic waveguide
JP4550371B2 (en) Electroabsorption optical modulator, semiconductor integrated device with electroabsorption optical modulator, module using them, and method for manufacturing semiconductor integrated device with electroabsorption optical modulator
US20210184421A1 (en) Semiconductor Optical Element
JP4901126B2 (en) Electroabsorption modulator and manufacturing method thereof
US20240006844A1 (en) Semiconductor Optical Device
WO2023188426A1 (en) Semiconductor device
WO2023248329A1 (en) Semiconductor device
Knodl et al. Integrated 1.3-µm InGaAlAs-InP laser-modulator with double-stack MQW layer structure
JP4961732B2 (en) Light modulator integrated light source
JPH07325328A (en) Semiconductor optical modulator

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060317

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20081225

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20090217

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20090318

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120327

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120327

Year of fee payment: 3

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120327

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120327

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130327

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140327

Year of fee payment: 5

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees