JP4494257B2

JP4494257B2 - 光変調器

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Publication number: JP4494257B2
Application number: JP2005064500A
Authority: JP
Inventors: 健都築; 隆志松岡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2025-03-08
Also published as: JP2006251089A

Description

本発明は、光変調器に関し、より詳細には、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、低電圧で動作し、かつ、導波損失の小さい光変調器に関する。

光信号の位相を変えることができ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、ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）等の誘電体を用いたものと、ＩｎＰやＧａＡｓ等の半導体を用いたものとが知られている。ＬＮ変調器は、現在広く用いられているが、印加電圧による屈折率の変化が小さいため、３〜５Ｖ程度の高い駆動電圧が必要とされている。また、ＬＮ変調器は、ＤＣドリフトや温度ドリフトによって駆動条件が変化するので、駆動条件の制御機構が必要となっている。

半導体を材料とする代表的な光変調器として、（１）バルク半導体のフランツケルディッシュ効果（Franz-Keldysh 効果）または多重量子井戸構造における電子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confined Stark Effect:ＱＣＳＥ）のように、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、（２）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）とが知られている。

ＥＡ変調器は、消費電力が小さく、小型であり、ＬＮ変調器にみられるような直流電圧によるドリフトも生じない。しかしながら、ＥＡ変調器では、変調時に波長チャーピングが生じ、これにより光ファイバ伝送後の波形が劣化するという問題があった。つまり、変調後の光信号スペクトルは、波長チャーピングにより、変調前の光信号スペクトルに比べて広がることになる。光信号スペクトルが広がった光信号を、光ファイバで伝送すると、ファイバ媒質の分散の効果による波形劣化が起こり、伝送特性に好ましくない影響を及ぼす。伝送特性への影響は、ビットレートが高いほど、また、伝送距離が長いほど顕著となる。

一方、ＥＯ変調器としては、屈折率を変化させることにより光の位相を変調させる位相変調器と、位相変調器を組み合わせてマッハツェンダ干渉計を構成し、光の強度変調を行うマッハツェンダ変調器とが知られている。従来の光通信システムは、光信号の強度の強弱で信号を送るため、強度変調器であるマッハツェンダ変調器が主に用いられている。ＥＯ変調器では、原理的にチャーピングを零にすることができ、超高速・長距離通信用変調器として期待がもたれている。

国際公開第２００４／０８１６３８号パンフレット C.Rolland et al.,"10 Gbit/s,1.56μｍ multiquantum well InP/InGaAsP Mach-Zahnder 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.

半導体のマッハツェンダ変調器の例としては、第一にｐｉｎ構造を有した集中定数型の変調器（例えば、非特許文献１参照）が知られている。また、ショットキー電極による進行波電極型の変調器（例えば、非特許文献２参照）が盛んに研究されている。さらに、これら半導体マッハツェンダ変調器を、更に低電圧化、小型化、高速化を図ったｎ-ｉ-ｎ構造半導体マッハツェンダ変調器（例えば、特許文献１参照）も検討されている。

しかし、従来のＥＯ変調器は、電界により屈折率変調を受ける層の結晶構造が閃亜鉛鉱型であるため、屈折率の変調効率が小さい。しかも、結晶軸を４５度に傾けることは困難であり、光変調は１方向の偏波（ＴＥ偏波）しか変調できなかった。また、屈折率が３．２〜３．４程度（ＧａＡｓ，ＩｎＰ）と大きく、光導波層における光の閉じ込めがきついため、光ファイバとの間の結合損失が大きいという問題もあった。このため、ＥＯ変調器には、低電圧駆動、偏波無依存の変調、光ファイバとの間の光結合損失の低減が求められていた。

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、低電圧化、小型化、高速化を同時に実現することができる光変調器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、電気光学効果を有し、ウルツ鉱型の結晶構造を有し、およびＶ族元素として窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光導波層と、該光導波層の上下を挟む第１のクラッド層であって、一方が絶縁型ＧａＮ、他方がｎ型の導電性を有するＧａＮからなる第１のクラッド層と、該第１のクラッド層の上下を挟み、ｎ型の導電性を有する第２のクラッド層と、上側の第２のクラッド層と下側の第２のクラッド層との間に電界が印加されるように前記第２のクラッド層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、２本の入力光導波路に結合された第１の光合分波器と、２本の出力光導波路に結合された第２の光合分波器と、前記第１および第２の光合分波器を接続する２本の位相変調導波路とを含むマッハツェンダ型光変調器において、前記位相変調導波路は、電気光学効果を有し、ウルツ鉱型の結晶構造を有し、およびＶ族元素として窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光導波層と、該光導波層の上下を挟む第１のクラッド層であって、一方が絶縁型ＧａＮ、他方がｎ型の導電性を有するＧａＮからなる第１のクラッド層と、該第１のクラッド層の上下を挟み、ｎ型の導電性を有する第２のクラッド層と、上側の第２のクラッド層と下側の第２のクラッド層との間に電界が印加されるように前記第２のクラッド層上に形成された電極とを含むことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、窒化物半導体からなる光導波層により、屈折率の変調効率が高い。特にウルツ鉱型結晶構造を有する結晶ではイオン結合性が強く、圧電効果が大きく、ポッケルス効果も大きくなる。従って、低電圧化、小型化、高速化を同時に実現することができる。

また、本発明によれば、窒化物半導体は屈折率が２．０〜２．５度程度と小さく、光ファイバとのモード変換差が小さいため、結合損失の小さい光変調器を作成することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態における光変調器は、電気光学効果を有する半導体光導波層と、該半導体光導波層の上下を挟む第１のクラッド層と、第１のクラッド層の上下を挟む第２のクラッド層を備えた半導体ヘテロ構造を有する。半導体光導波層はＶ族元素として窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体からなり、第２のクラッド層はｐ型またはｎ型の導電性を有する半導体層からなる。

また、半導体光導波層に六方晶系またはウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体を用いることにより、高効率の屈折率変調を実現することができる。特に、ウルツ鉱型結晶構造を有する結晶は、イオン結合性が強く、圧電効果が大きく、ポッケルス効果も大きくなるので、高効率の屈折率変調が可能となる。

さらに、結晶を、積層方向に対して４５度の結晶軸の角度をとることにより、偏波無依存動作を実現することができる。

さらにまた、窒化物半導体は、屈折率が２．０〜２．５程度と小さく、光ファイバとのモード変換差が小さいため、結合損失を小さくすることができる。

このようにして、低電圧で動作と、偏波無依存の変調と、光結合損失の低減を同時に実現することができる光変調器を提供することができる。

図１に、本発明の実施例１にかかる光変調器を示す。光の導波方向に垂直な断面図である。（０００１）面サファイア基板１上に、低温成長ＧａＮバッファ層２、ｎ−ＧａＮクラッド層３ａ〜３ｃ、ノンドープＩｎＧａＮ光導波層４、およびｐ−ＧａＮクラッド層５ａ，５ｂが、順次積層されている。エッチングプロセスにより、ノンドープＩｎＧａＮ光導波層４の下までエッチングを行い、ハイメサ導波路構造の光導波路を作製する。

電界は、ｐ−ＧａＮクラッド層５ｂの上面に形成された電極６と、ｎ−ＧａＮクラッド層３ａの上面に形成された電極７ａ，７ｂとの間に印加される。この構成によれば、光導波層の窒化物半導体ＩｎＧａＮは、六方晶またはウルツ鉱型の結晶構造を有するので、大きなポッケルス効果を活用して、高効率な電気光学変調器を実現することができる。

図２に、本発明の実施例２にかかる光変調器を示す。光の導波方向に垂直な断面図である。（０００１）面サファイア基板１１上に、低温成長ＧａＮバッファ層１２、ｎ−ＧａＮクラッド層１３ａ，１３ｂ、ノンドープＩｎＧａＮ光導波層１４、およびｐ−ＧａＮクラッド層１５ａ，１５ｂが、順次積層されている。エッチングプロセスにより、ノンドープＩｎＧａＮ光導波層１４の上までエッチングを行い、リッジ導波路構造の光導波路を作製する。

図３（ａ）に、本発明の実施例３にかかる光変調器を示す。（０００１）面サファイア基板２１上に、低温成長ＧａＮバッファ層２２、ｎ−ＧａＮクラッド層２３ａ〜２３ｃ、ノンドープＩｎＧａＮ光導波層２４、およびｐ−ＧａＮクラッド層２５ａ，２５ｂが、順次積層されている。エッチングプロセスにより、ノンドープＩｎＧａＮ光導波層２４の下までエッチングを行い、ハイメサ導波路構造の光導波路を作製する。なお、実施例２と同様にリッジ導波路構造を適用することもできる。

ノンドープＩｎＧａＮ光導波層２４の結晶のｃ軸は、図３（ｂ）に示すように、積層方向に対して４５度の角度を有する。ｐ−ＧａＮクラッド層２５ｂの上面に形成された電極２６と、ｎ−ＧａＮクラッド層２３ａの上面に形成された電極２７ａ，２７ｂとの間に電界を印加すると、屈折率の変化は、積層面方向と、積層面に垂直方向の２つに分配される。このため、積層面方向の光の偏波（ＴＥ偏波）と積層面に垂直方向の光の偏波（ＴＭ偏波）の両方の偏波成分に対する光変調が可能であり、偏波無依存の光変調器を実現することが出来る。

図４に、本発明の実施例４にかかる光変調器を示す。光の導波方向に垂直な断面図である。（０００１）面サファイア基板３１上に、低温成長ＧａＮバッファ層３２、ｎ−ＧａＮクラッド層３３ａ〜３３ｃ、ノンドープＩｎＧａＮ光導波層３４、絶縁型ＧａＮ層３５、およびｎ−ＧａＮクラッド層３３ｄが、順次積層されている。エッチングプロセスにより、ノンドープＩｎＧａＮ光導波層４の下までエッチングを行い、ハイメサ導波路構造の光導波路を作製する。なお、実施例２と同様にリッジ導波路構造を適用することもできる。

電界は、ｎ−ＧａＮクラッド層３３ｄの上面に形成された電極３６と、ｎ−ＧａＮクラッド層３３ａの上面に形成された電極３７ａ，３７ｂとの間に印加される。

電極層をｐ−ＧａＮクラッド層とすると、印加する電気信号、光導波層を透過する光の損失の増大を招く。これは、ｐ型半導体は、電気伝導に寄与するホールの移動度が小さいので、ｎ型半導体よりも電気の抵抗率が高く、電気信号の損失が大きいこと、価電子帯のエネルギー凖位が分裂しているために、価電子帯内遷移に起因する光の損失が大きいことが原因である。そこで、両電極層をｎ型半導体層とすることで、電気的、光学的な損失を低減することができる。これにより、進行波電極を採用した長い作用長の光変調器を作製することができ、また、低駆動電圧の光変調器を実現することができる。

図５に、本発明の一実施形態にかかるマッハツェンダ型光変調器を示す。マッハツェンダ型光変調器は、２本の入力光導波路１０１ａ，１０１ｂに結合された光合分波器１０２ａと、２本の出力光導波路１０３ａ，１０３ｂに結合された光合分波器１０２ｂと、２つの光合分波器１０２ａ，１０２ｂを接続する２本の位相変調導波路１０４ａ，１０４ｂとから構成されている。２本の位相変調導波路１０４ａ，１０４ｂには、高速で光変調を行うために、高周波電界を印加するためのコプレーナ導波路１０５ａ，１０５ｂが接続されている。

いずれかの入力光導波路から入射した光は、２本の位相変調導波路１０４ａ，１０４ｂに分波され、それぞれ位相変調される。変調された光は合波されて、いずれかの出力光導波路から出射される。このように、マッハツェンダ干渉計を構成することによって、光の強度変調を行うことができる。

２本の位相変調導波路１０４ａ，１０４ｂは、上述した実施例１乃至４に記載されたハイメサ導波路構造、またはリッジ導波路構造の光導波路で構成される。Ｖ族元素として窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体は、屈折率が２．０〜２．５度程度と小さく、ＩｎＰやＧａＡｓ系材料を用いた半導体光素子よりも、光ファイバとのモード変換差が小さいため、結合損失の小さい光変調器を作成することができる。

本発明の実施例１にかかる光変調器を示す断面図である。本発明の実施例２にかかる光変調器を示す断面図である。本発明の実施例３にかかる光変調器を示す断面図である。本発明の実施例４にかかる光変調器を示す断面図である。本発明の一実施形態にかかるマッハツェンダ型光変調器を示す斜視図である。

符号の説明

１，１１，２１，３１サファイア基板
２，１２，２２，３２低温成長ＧａＮバッファ層
３，１３，２３，３３ｎ−ＧａＮクラッド層
４，１４，２４，３４ノンドープＩｎＧａＮ光導波層
５，１５，２５ｐ−ＧａＮクラッド層
６，７，１６，１７，２６，２７，３６，３７電極
３５絶縁型ＧａＮクラッド層
１０１入力光導波路
１０２光合分波器
１０３出力光導波路
１０４位相変調導波路
１０５コプレーナ導波路

Claims

電気光学効果を有し、ウルツ鉱型の結晶構造を有し、およびＶ族元素として窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光導波層と、
該光導波層の上下を挟む第１のクラッド層であって、一方が絶縁型ＧａＮ、他方がｎ型の導電性を有するＧａＮからなる第１のクラッド層と、
該第１のクラッド層の上下を挟み、ｎ型の導電性を有する第２のクラッド層と、
上側の第２のクラッド層と下側の第２のクラッド層との間に電界が印加されるように前記第２のクラッド層上に形成された電極と
を備えたことを特徴とする光変調器。
２本の入力光導波路に結合された第１の光合分波器と、２本の出力光導波路に結合された第２の光合分波器と、前記第１および第２の光合分波器を接続する２本の位相変調導波路とを含むマッハツェンダ型光変調器において、
前記位相変調導波路は、
電気光学効果を有し、ウルツ鉱型の結晶構造を有し、およびＶ族元素として窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる光導波層と、
該光導波層の上下を挟む第１のクラッド層であって、一方が絶縁型ＧａＮ、他方がｎ型の導電性を有するＧａＮからなる第１のクラッド層と、
該第１のクラッド層の上下を挟み、ｎ型の導電性を有する第２のクラッド層と、
上側の第２のクラッド層と下側の第２のクラッド層との間に電界が印加されるように前記第２のクラッド層上に形成された電極と
を含むことを特徴とするマッハツェンダ型光変調器。