JP5017300B2 - Absorption type semiconductor optical modulator - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は小型で高速、かつ信頼性の高い吸収型半導体光変調器の分野に属する。   The present invention belongs to the field of small-sized, high-speed, and highly reliable absorption type semiconductor optical modulators.

(第1の従来技術)
光を吸収する機能を有する、いわゆる吸収型半導体光変調器の第1の従来技術として、非特許文献1に示すハイメサ型光変調器の概略斜視図を図9に示す。
(First prior art)
FIG. 9 shows a schematic perspective view of a high-mesa optical modulator shown in Non-Patent Document 1 as a first conventional technique of a so-called absorption semiconductor optical modulator having a function of absorbing light.

1はn−InP基板、2はn−InP下部クラッド層(あるいは簡単に、n−InPクラッド層)、3はi−InGaAsPウェルと、ウェルとはバンドギャップエネルギ−が異なるi−InGaAsPバリアを複数組み合わせて構成した多重量子井戸(InGaAsP−InGaAsP Multiple Quantum Well: InGaAsP−InGaAsP MQW)コア層(この多重量子井戸層はノンド−プ層なので、以下i−MQWコア層と略す)、4はp−InP上部クラッド層(あるいは簡単に、p−InPクラッド層)、5はp−InGaAsコンタクト層、6は電気信号を印加するためのp電極、7はn電極、8はポリイミド、9はボンディングワイヤである。
1 is an n + -InP substrate, 2 is an n-InP lower cladding layer (or simply, an n-InP cladding layer), 3 is an i-InGaAsP well, and an i-InGaAsP barrier having a different band gap energy from the well. Multiple quantum wells (InGaAsP-InGaAsP Multiple Quantum Well: InGaAsP-InGaAsP MQW) core layer (this multi-quantum well layer 3 is a non-dope layer, hereinafter abbreviated as i-MQW core layer), 4 is p -InP upper clad layer (or simply p-InP clad layer), 5 is a p + -InGaAs contact layer, 6 is a p-electrode for applying an electric signal, 7 is an n-electrode, 8 is a polyimide, 9 is a bonding It is a wire.

なお、p電極6のうち、ボンディングワイヤが接続されている箇所10はボンディングパッド部と呼ばれている。このハイメサ型半導体光変調器ではボンディングパッド部の電気的キャパシタンスを減らすために、比誘電率が小さなポリイミド8をその下に使用している。   Of the p-electrode 6, a portion 10 to which a bonding wire is connected is called a bonding pad portion. In this high mesa type semiconductor optical modulator, in order to reduce the electric capacitance of the bonding pad portion, polyimide 8 having a small relative dielectric constant is used underneath.

また、p−InPクラッド層4、i−MQWコア層3およびn−InPクラッド層2は光を導波する光導波路を構成している。ここでi−MQWコア層3はその屈折率がp−InPクラッド層4とn−InPクラッド層2よりも高く、光を導波する中心的な役割を有している。なお、ハイメサ光導波路を構成しているリッジ部の幅と長さは各々2μmおよび200μm程度である。   The p-InP cladding layer 4, the i-MQW core layer 3, and the n-InP cladding layer 2 constitute an optical waveguide that guides light. Here, the i-MQW core layer 3 has a higher refractive index than the p-InP cladding layer 4 and the n-InP cladding layer 2 and has a central role of guiding light. The width and length of the ridge portion constituting the high mesa optical waveguide are about 2 μm and 200 μm, respectively.

この第1の従来技術の動作について説明する。電界が印加されていない時と逆バイアスを印加した時の光の吸収係数について波長を変数として図10に示す。図中、光変調器を動作させる波長を動作波長として示した。   The operation of the first prior art will be described. FIG. 10 shows the absorption coefficient of light when no electric field is applied and when a reverse bias is applied, with the wavelength as a variable. In the figure, the wavelength for operating the optical modulator is shown as the operating wavelength.

図10からわかるように、電界が印加されていない場合には、半導体光変調器を動作する波長においては光の吸収係数は充分小さく、半導体光変調器において光が入射する端面(以下、光入射端面と略す)に入射した光は反対側の光が出射する端面(以下、光出射端面と略す)から出射される。一方、p電極6とn電極7の間に逆バイアスを印加すると、光の吸収スペクトラムは長波長側に移動するため、光変調器の動作波長では光の吸収係数が大きくなり、光は吸収される。こうして、p電極6とn電極7間の逆バイアス電圧をONあるいはOFFにすることにより、光もOFFあるいはONされ、電気信号を光信号へと変換することができる。   As can be seen from FIG. 10, when no electric field is applied, the absorption coefficient of light is sufficiently small at the wavelength at which the semiconductor optical modulator operates, and the end face (hereinafter referred to as light incident) on the semiconductor optical modulator where light enters. The light incident on the end face is emitted from the end face from which the opposite light exits (hereinafter abbreviated as the light exit end face). On the other hand, when a reverse bias is applied between the p-electrode 6 and the n-electrode 7, the light absorption spectrum shifts to the longer wavelength side, so that the light absorption coefficient increases at the operating wavelength of the optical modulator, and the light is absorbed. The Thus, by turning the reverse bias voltage between the p electrode 6 and the n electrode 7 ON or OFF, the light is also turned OFF or ON, and an electric signal can be converted into an optical signal.

このハイメサ型光変調器において、光を吸収する機能を有するi−MQWコア層3は比誘電率εが小さな空気(ε=1)で囲まれており、かつボンディングパッド部10の下にはやはり比誘電率εが小さなポリイミド8(ε=3〜4)を使用しているので、その電気的キャパシタンスCは小さい。従って、電気的キャパシタンスCと負荷抵抗Rから制限される、いわゆるCR定数リミットによる3dB光変調帯域(=1/πRC、あるいは簡単に光変調帯域と言う)は、i−MQWコア層3の左右を全て半導体で埋め込んだ埋め込み構造のものより高く、ハイメサ型光変調器は高速光変調に適していると言える。 In this high-mesa optical modulator, the i-MQW core layer 3 having a function of absorbing light is surrounded by air having a small relative dielectric constant ε rr = 1), and below the bonding pad portion 10. Since polyimide 8 (ε r = 3 to 4) having a small relative dielectric constant ε r is used, its electric capacitance C is small. Accordingly, the 3 dB optical modulation band (= 1 / πRC, or simply referred to as the optical modulation band) by the so-called CR constant limit, which is limited by the electric capacitance C and the load resistance R, is the right and left of the i-MQW core layer 3. The high mesa type optical modulator is suitable for high-speed optical modulation because it is higher than that of an embedded structure in which all are embedded with a semiconductor.

図11(a)、(b)には逆バイアス印加時における光吸収に伴い発生する熱について、各々光変調器の長手方向とメサ中心からの幅方向における分布を示している。   FIGS. 11A and 11B show distributions in the longitudinal direction of the optical modulator and in the width direction from the mesa center, respectively, with respect to the heat generated due to light absorption during reverse bias application.

まず長手方向について考察する。長手方向、つまり光の伝搬方向において、光はi−MQWコア層3、p−InPクラッド層4およびn−InPクラッド層2からなる光導波路を伝播する間にその強度Pが
P=P0exp(−αz) (1)
のように、指数関数の式に従ってi−MQWコア層3により吸収される。ここで、P0は光入射端面における入射光のパワー、αは吸収係数、zは光入射端面からの距離である。指数関数は変数に対して急速に減衰する関数であるから、光は光入射端面から短い距離の間に急速に吸収され、電流I(これを光電流と呼ぶ)に変換される。
First, consider the longitudinal direction. In the longitudinal direction, that is, in the light propagation direction, the intensity P of the light propagates through the optical waveguide composed of the i-MQW core layer 3, the p-InP clad layer 4, and the n-InP clad layer 2, and P = P 0 exp (−αz) (1)
In this way, it is absorbed by the i-MQW core layer 3 in accordance with the exponential function equation. Here, P 0 is the power of incident light at the light incident end face, α is an absorption coefficient, and z is a distance from the light incident end face. Since the exponential function is a function that rapidly attenuates with respect to a variable, light is rapidly absorbed within a short distance from the light incident end face, and converted into a current I p (referred to as a photocurrent).

一方、横方向(基板表面に水平方向)については、断面構造がハイメサ構造、つまりリッジ部の左右は空気である。空気の熱伝導率は半導体に比べて数桁小さいため、発生した熱はリッジ部の外部へはほとんど伝わらない。   On the other hand, in the lateral direction (horizontal direction on the substrate surface), the cross-sectional structure is a high mesa structure, that is, the left and right sides of the ridge portion are air. Since the thermal conductivity of air is several orders of magnitude smaller than that of semiconductors, the generated heat is hardly transmitted to the outside of the ridge.

従って、長手方向には光入射端面からの短い距離内に、横方向にはハイメサのリッジ部に熱が溜まることになる。特に、高いパワーの光が入射すると印加電圧Vと光電流Iの積で表されるジュール熱(PJ=V・I)はn−InPクラッド層2を通して基板1に逃がされるが、基板1に充分には伝えることができず、ハイメサのリッジ部に溜まる。そのため、リッジ部がこの高いジュール熱のために壊れてしまう。実験的にはハイメサ型光変調器への最大光入力パワーは10mW程度が限界であった。 Accordingly, heat is accumulated in the short direction from the light incident end face in the longitudinal direction and in the ridge portion of the high mesa in the lateral direction. In particular, when high-power light is incident, Joule heat (P J = V · I P ) represented by the product of the applied voltage V and the photocurrent I P is released to the substrate 1 through the n-InP cladding layer 2. It cannot be fully communicated to 1 and accumulates in the ridge of High Mesa. Therefore, the ridge portion is broken due to the high Joule heat. Experimentally, the maximum optical input power to the high-mesa optical modulator is limited to about 10 mW.

(第2の従来技術)
この光電流による熱破壊は図12にその概略斜視図を示す第2の従来技術の構造を採用することにより回避できる。ここで、1はn−InP基板、11はn−InP下部クラッド層(あるいは簡単に、n−InPクラッド層)、12はi−MQWコア層、13はp−InP上部クラッド層(あるいは簡単に、p−InPクラッド層)、14はp−InGaAsコンタクト層、15はi−InP埋め込み層、16は電気信号を印加するためのp電極、7はn電極である。
(Second prior art)
This thermal breakdown due to photocurrent can be avoided by adopting the second prior art structure whose schematic perspective view is shown in FIG. Here, 1 is an n + -InP substrate, 11 is an n-InP lower cladding layer (or simply, an n-InP cladding layer), 12 is an i-MQW core layer, and 13 is a p-InP upper cladding layer (or simply) P-InP cladding layer), 14 is a p + -InGaAs contact layer, 15 is an i-InP buried layer, 16 is a p-electrode for applying an electric signal, and 7 is an n-electrode.

図9に示した従来における第1の従来技術では光がi−MQWコア層3により吸収され、光電流Iが生成された結果発生した熱は、リッジの左右が熱伝導率が極めて低い空気であるため逃げることができずにリッジに溜まり、結果的に素子破壊に至った。一方、この第2の従来技術では、i−MQWコア層12で光が吸収された結果発生したジュール熱を、n−InPクラッド層11を経由して基板1に逃がすとともに、左右のi−InP埋め込み層15を通じてn−InP基板1に逃がしている。 In the first prior art shown in FIG. 9, the heat generated as a result of the light being absorbed by the i-MQW core layer 3 and the generation of the photocurrent Ip is air with extremely low thermal conductivity on the left and right sides of the ridge. Therefore, they could not escape and accumulated in the ridge, resulting in element destruction. On the other hand, in the second prior art, Joule heat generated as a result of light absorption by the i-MQW core layer 12 is released to the substrate 1 via the n-InP cladding layer 11 and left and right i-InP It escapes to the n + -InP substrate 1 through the buried layer 15.

図13(a)には、図12に示した第2の従来技術において光の伝搬とともに光の伝搬軸に沿って発生する熱を、また図13(b)には半導体光変調器の光入射端面近傍での水平方向における熱の分布を示している。   FIG. 13A shows the heat generated along the light propagation axis along with the light propagation in the second prior art shown in FIG. 12, and FIG. 13B shows the light incidence of the semiconductor light modulator. The heat distribution in the horizontal direction in the vicinity of the end face is shown.

一般に半導体は熱伝導率が高いので、n−InPクラッド層11やi−MQWコア層12の上下左右を囲んでいるi−InP埋め込み層15などの半導体を通して、発生した熱は急速にn−InP基板1に伝えられ、その結果、第1の従来技術に比較してi−MQWコア層12を中心とした熱分布のピーク値が低くなっていることがわかる。このため、この第2の従来技術は耐光入力特性が優れた構造と言える。 In general, since a semiconductor has high thermal conductivity, heat generated through a semiconductor such as the n-InP cladding layer 11 and the i-InP buried layer 15 surrounding the top, bottom, left and right of the i-MQW core layer 12 is rapidly n + −. As a result, it can be seen that the peak value of the heat distribution centered on the i-MQW core layer 12 is lower than that of the first prior art. For this reason, it can be said that the second prior art has a structure with excellent light-proof input characteristics.

しかしながら、この第2の従来技術では広い面積のp−InPクラッド層13、i−InP埋め込み層15、n−InP基板1により形成される電気的キャパシタンスCと負荷抵抗Rから制限される、いわゆるCR定数リミットによる3dB光変調帯域(=1/πRC、あるいは変調帯域)が、ハイメサ型光変調器よりも著しく低く、高速光変調には適用できないという問題があった。 However, this second prior art is so-called limited by the electric capacitance C and the load resistance R formed by the p-InP cladding layer 13, the i-InP buried layer 15, and the n + -InP substrate 1 having a large area. The 3 dB optical modulation band (= 1 / πRC or modulation band) due to the CR constant limit is significantly lower than that of the high-mesa optical modulator, and there is a problem that it cannot be applied to high-speed optical modulation.

そして、さらにこの第2の従来技術では比較的簡単な結晶再成長とはいえ、やはり結晶再成長は含む製造工程が長いという問題がある。次に、これについて説明する。   Further, although the second conventional technique is relatively simple crystal regrowth, there is still a problem that crystal regrowth involves a long manufacturing process. Next, this will be described.

図14に第2の従来技術の製造工程を抜粋して示す。   FIG. 14 shows an excerpt of the manufacturing process of the second prior art.

工程(a)では、n−InP基板1の上にn−InPクラッド層17、i−MQWコア層18を結晶成長する。次に、SiOマスク19を堆積した後に、フォトレジスト20をスピンコートする。 In the step (a), an n-InP clad layer 17 and an i-MQW core layer 18 are crystal-grown on the n + -InP substrate 1. Next, after a SiO 2 mask 19 is deposited, a photoresist 20 is spin-coated.

工程(b)では、工程(a)のフォトレジスト20を22のようにパターニングし、このフォトレジスト22を用いて、工程(a)のSiOマスク19を21のようにエッチングする。 In the step (b), the photoresist 20 in the step (a) is patterned as 22, and the SiO 2 mask 19 in the step (a) is etched as 21 using this photoresist 22.

工程(c)では、工程(b)において規定したフォトレジスト22とSiOマスク21を用いて、工程(b)のi−MQWコア層18とn−InPクラッド層17を各々12、11のようにエッチングする。 In the step (c), the i-MQW core layer 18 and the n-InP clad layer 17 in the step (b) are respectively formed as 12, 11 using the photoresist 22 and the SiO 2 mask 21 defined in the step (b). Etch into.

工程(d)では、工程(c)のフォトレジスト22を除去した後、SiOマスク21を結晶再成長におけるマスクとして用い、i−InP埋め込み層15を再成長する。 In step (d), after removing the photoresist 22 in step (c), the i-InP buried layer 15 is regrown using the SiO 2 mask 21 as a mask for crystal regrowth.

工程(e)では、工程(d)で使用したSiOマスク21を除去した後、p−InPクラッド層13、p−InGaAsコンタクト層14を成長する。 In step (e), after removing the SiO 2 mask 21 used in step (d), the p-InP cladding layer 13 and the p + -InGaAs contact layer 14 are grown.

図12に示した実際の半導体光変調器とするには、工程(e)の後、n−InP基板1を100μm程度に薄く研磨する。次に、p−InGaAsコンタクト層14の上にp電極16を、またn−InP基板1の裏にn電極7を形成する。 In the actual semiconductor optical modulator shown in FIG. 12, after the step (e), the n + -InP substrate 1 is thinly polished to about 100 μm. Next, the p electrode 16 is formed on the p + -InGaAs contact layer 14, and the n electrode 7 is formed on the back of the n + -InP substrate 1.

このように、この第2の従来技術はCR定数リミットによる光変調帯域が狭いことと、次に述べる第3の従来技術よりは簡単な結晶再成長とはいうものの、やはり結再晶成長が必要であるためその製造工程が長いという問題がある。
Thus, the second prior art and that the optical modulation band is narrow by CR constant limit, although than the third prior art described below refers to the simple crystal regrowth, is also Yuisai crystal growth Since it is necessary, there is a problem that the manufacturing process is long.

(第3の従来技術)
図12に示した広い面積のp−InPクラッド層13、i−InP埋め込み層15、n−InP基板1により形成されるp−i−n接合の電気的キャパシタンスCを低減するために、非特許文献2に報告されている図15に示すような第3の従来技術が広く用いられている。
(Third prior art)
In order to reduce the electrical capacitance C of the pin junction formed by the wide area p-InP cladding layer 13, the i-InP buried layer 15, and the n + -InP substrate 1 shown in FIG. The third prior art as shown in FIG. 15 reported in Patent Document 2 is widely used.

この第3の従来技術では図12に示したプロセス工程とほぼ同様の手順でn−InPクラッド層11の上に、i−MQWコア層12を成長した後、さらにp−InPクラッド層2を成長する。これらをハイメサ構造にエッチングした後、それらの横をFeドープInP埋め込み層24により埋め込んでいる。
On the n-InP cladding layer 11 in the third substantially the same procedure as the process step shown in FIG. 12 in the prior art, after growing the i-MQW core layer 12, a further p-InP cladding layer 2 3 grow up. After these are etched into a high mesa structure, the sides thereof are buried with an Fe-doped InP buried layer 24.

この24はInPにFe原子をドーピングすることにより、絶縁抵抗を高めたFeドープInP埋め込み層(半絶縁性InP埋め込み層、あるいはFe−InP埋め込み層と呼ぶ)である。   Reference numeral 24 denotes an Fe-doped InP buried layer (referred to as a semi-insulating InP buried layer or Fe—InP buried layer) in which insulation resistance is increased by doping Fe atoms with InP.

Fe−InP埋め込み層24も熱伝導率が高いので、この第3の従来技術も耐光入力特性が優れた構造と言える。そして、第3の従来技術ではFe―InP埋め込み層24を用いているので、p−i−n接合により電気的キャパシタンスが大きい図12の第2の従来技術と比較して電気的キャパシタンスが小さいという大きな利点がある。   Since the Fe—InP buried layer 24 also has a high thermal conductivity, it can be said that the third prior art also has a structure with excellent light-proof input characteristics. And since the Fe—InP buried layer 24 is used in the third prior art, the electrical capacitance is small compared to the second prior art of FIG. 12 where the electrical capacitance is large due to the pin junction. There is a big advantage.

しかしながら、この第3の従来技術はFe−InP埋め込み層24を結晶再成長する際にn−InPクラッド層11、i−MQWコア層12、及びp−InPクラッド層23により形成されるメサの高さが高いので結晶再成長が難しいばかりでなく、大きな問題がある。つまり、Fe−InP埋め込み層24を形成するためには、ドーパントをFeとする結晶成長炉を専用に持つ必要がある。一般に結晶成長装置を持つには安全装置も含めると数億円という高額な設備投資が必要である。   However, in the third conventional technique, when the Fe—InP buried layer 24 is regrown, the high mesa formed by the n-InP cladding layer 11, the i-MQW core layer 12, and the p-InP cladding layer 23 is used. Therefore, not only is crystal regrowth difficult, but there is a big problem. That is, in order to form the Fe—InP buried layer 24, it is necessary to have a dedicated crystal growth furnace in which the dopant is Fe. Generally, in order to have a crystal growth device, a large capital investment of several hundred million yen is required including safety devices.

さらに、このFe原子とp−InPクラッド層12のドーパントであるZnは互いに相互拡散し易く、その結果著しく電気的キャパシタンスが大きくなり、電気的な高速動作が困難となってしまう。そのため、その結晶再成長の条件出しに長い時間が必要であるという問題があった。一般にFe−InP埋め込み層24の結晶再成長条件を見出すことは、図12に示したi−InP埋め込み層15の結晶再成長条件を見出すことよりはるかに難しい。つまり、図15に示した第3の従来技術を実現するには多額の設備投資のみならず長い開発期間を要するという問題があった。   Further, the Fe atoms and Zn as the dopant of the p-InP clad layer 12 are easily diffused to each other. As a result, the electrical capacitance is remarkably increased, and the electrical high-speed operation becomes difficult. Therefore, there is a problem that it takes a long time to determine the conditions for the crystal regrowth. In general, finding the crystal regrowth condition for the Fe-InP buried layer 24 is much more difficult than finding the crystal regrowth condition for the i-InP buried layer 15 shown in FIG. That is, in order to realize the third prior art shown in FIG. 15, there is a problem that not only a large capital investment but also a long development period is required.

(第4の従来技術)
第3の従来技術のような高額な設備投資を必要とするとともに結晶の再成長条件を見出すことが難しいFe−InP埋め込み層を用いず、第2の従来技術のように結晶再成長が比較的簡単なi−InP埋め込み層を用い、かつ第2の従来技術で問題であったp−i−n接合による電気的キャパシタンスを低減するために特許文献に開示された構造の概略斜視図を図16に示す。なお、その上面図を図17に示す。
(Fourth prior art)
Without using an Fe—InP buried layer that requires expensive capital investment as in the third prior art and it is difficult to find out the conditions for crystal re-growth, the crystal regrowth is relatively difficult as in the second prior art. FIG. 6 is a schematic perspective view of the structure disclosed in Patent Document 1 in order to reduce the electrical capacitance due to a pin junction, which is a problem in the second prior art, using a simple i-InP buried layer. 16 shows. A top view thereof is shown in FIG.

ここで、11はn−InPクラッド層、12はi−MQWコア層、25はp−InPクラッド層、26はp−InGaAsコンタクト層、27はi−InP埋め込み層、28は電気信号を印加するためのp電極、7はn電極である。 Here, 11 is an n-InP clad layer, 12 is an i-MQW core layer, 25 is a p-InP clad layer, 26 is a p + -InGaAs contact layer, 27 is an i-InP buried layer, and 28 is an electric signal applied. The p electrode 7 is an n electrode.

図16と図17からわかるように、この第4の従来技術は、光の吸収に伴う発熱量が大きな光入射の端面近傍に図12に示した第2の従来技術と同様の構造を有している。これにより、発生した熱を効果的にn−InP基板1に逃がすことができる、そのためこの発生した熱により素子が破壊されることはない。一方、光電流が小さな領域ではメサの幅を狭くしてp−i−n接合による電気的キャパシタンスを小さくしている。その結果、第4の従来技術を採用することにより、素子破壊を避けるととともに高周波での動作が可能となった。 As can be seen from FIGS. 16 and 17, the fourth prior art has the same structure as the second prior art shown in FIG. 12 in the vicinity of the light incident end face where the amount of heat generated by light absorption is large. ing. As a result, the generated heat can be effectively released to the n + -InP substrate 1, so that the element is not destroyed by the generated heat. On the other hand, in the region where the photocurrent is small, the mesa width is narrowed to reduce the electrical capacitance due to the pin junction. As a result, by adopting the fourth conventional technique, it was possible to avoid element destruction and to operate at high frequency.

しかしながら、図15の説明で述べたように、Fe−InP埋め込み層24よりは容易とはいえ、やはり結晶再成長が必要であるので、コストを下げるにはさらに簡単な製造工程の吸収型半導体光変調器を開発する必要がある。   However, as described in the explanation of FIG. 15, although it is easier than the Fe—InP buried layer 24, crystal regrowth is still necessary. A modulator needs to be developed.

IEEE、Journal of Quantum Electronics、vol.28、pp.224−230、1992IEEE, Journal of Quantum Electronics, vol. 28, pp. 224-230, 1992 1993年電子情報通信学会春季大会C−1531993 IEICE Spring Conference C-153

特許第3913161号公報Japanese Patent No. 3913161

以上のように、第1の従来技術のようなハイメサ型半導体光変調器においては、高いパワーの光が入射すると、印加電圧と光吸収部において生じた電流に起因する大きなジュール熱がハイメサのリッジ部に溜まり、リッジ部が熱破壊される。ところが、これを避けるためにi−InPにより埋め込むと電気的キャパシタンスが大きくなり、高速動作が困難になる。この電気的キャパシタンスを小さくするためには、Fe−InPにより埋め込むことが有効ではあるが、多額の設備投資と結晶再成長の条件出しに長い開発期間が必要である。さらにi−InPで埋め込むとともに、光が入射する端面近傍ではその埋め込み層の幅を広くし、光が伝搬する方向に沿ってメサの幅を狭くする第4の従来技術では熱破壊を避けることができ、かつ高速動作が可能となったが、SiOやSiNをマスクとした結晶再成長がやはり必要である。そして結晶再成長では歩留まりが100%とはならず、また製造工程が長いので吸収型半導体光変調器としてのコストが高くなる。従って、コストを下げるためにはさらに簡単な製造工程により製作できる吸収型半導体光変調器の開発が必要であった。 As described above, in the high mesa type semiconductor optical modulator as in the first prior art, when high power light is incident, a large Joule heat caused by the applied voltage and the current generated in the light absorbing portion is generated in the high mesa ridge. The ridge is thermally destroyed. However, if it is embedded with i-InP in order to avoid this, the electric capacitance becomes large and high-speed operation becomes difficult. In order to reduce this electric capacitance, it is effective to embed it with Fe-InP, but a long development period is required to determine a large amount of capital investment and crystal regrowth conditions. Furthermore, in the fourth prior art in which the width of the buried layer is increased in the vicinity of the end surface where light is incident and the width of the mesa is reduced along the direction of light propagation, thermal breakdown is avoided in the fourth conventional technique. Although high-speed operation was possible, crystal regrowth using SiO 2 or SiN x as a mask is still necessary. In the crystal regrowth, the yield does not reach 100%, and the manufacturing process is long, so the cost of the absorption semiconductor optical modulator increases. Therefore, in order to reduce the cost, it is necessary to develop an absorption type semiconductor optical modulator that can be manufactured by a simpler manufacturing process.

上記の課題を解決するために、本発明の請求項1に記載の吸収型半導体光変調器では、半導体基板上に、少なくとも光を吸収する機能を有するコア層を含む光導波路を形成し、該光導波路は光入射端面と光出射端面とを有しており、前記光入射端面から入射される光が前記光導波路を伝搬する過程で前記コア層に吸収されることにより光電流が生成される吸収型半導体光変調器において、前記コア層は、前記生成された光電流に起因するジュール熱による熱破壊を避けるために、前記ジュール熱を前記半導体基板に逃がすように、前記光入射端面側の幅が前記光出射端面側の幅よりも広く形成されているとともに前記光の伝搬方向に向かって狭くなって形成され、また、前記光入射端面側の前記光導波路は、その幅が前記コア層と同じく前記光出射端面側の幅よりも広く形成されているとともにマルチモード光導波路で構成され、前記光入射端面から入射される光の界分布の形を保ったまま前記光出射端面まで前記光導波路を伝搬することを特徴としている。


In order to solve the above problems, in the absorption semiconductor optical modulator according to claim 1 of the present invention, an optical waveguide including a core layer having a function of absorbing at least light is formed on a semiconductor substrate, The optical waveguide has a light incident end surface and a light output end surface, and a photocurrent is generated by the light incident from the light incident end surface being absorbed by the core layer in the process of propagating through the optical waveguide. In the absorption-type semiconductor optical modulator, the core layer is disposed on the light incident end face side so as to release the Joule heat to the semiconductor substrate in order to avoid thermal destruction due to Joule heat caused by the generated photocurrent. width been formed narrows toward the propagation direction of the light with being made wide rather form than the width of the light emitting end face side, also, the optical waveguide of the light incident end surface side, the width of its Like the said core layer Consists of a multimode optical waveguide with are made form widely than the width of the exit end face side, the optical waveguide to the light emitting end surface while maintaining the shape of the field distribution of light incident from the light incident end face It is characterized by propagation .


上記の課題を解決するために、本発明の請求項2に記載の吸収型半導体光変調器では、請求項1に記載の吸収型半導体光変調器において、前記コア層の幅を曲線形状、直線形状、および階段形状の少なくとも一つの形状に従って狭くしていくことを特徴としている。   In order to solve the above problems, in the absorption type semiconductor optical modulator according to claim 2 of the present invention, in the absorption type semiconductor optical modulator according to claim 1, the width of the core layer is set to a curved shape and a straight line. It is characterized by narrowing according to at least one of a shape and a staircase shape.

上記の課題を解決するために、本発明の請求項3に記載の吸収型半導体光変調器では、請求項1または2に記載の吸収型半導体光変調器において、前記光導波路がハイメサ型光導波路であることを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, in the absorption semiconductor optical modulator according to claim 3 of the present invention, in the absorption semiconductor optical modulator according to claim 1 or 2, the optical waveguide is a high mesa optical waveguide. It is characterized by being.

上記の課題を解決するために、本発明の請求項4に記載の吸収型半導体光変調器では、請求項1または2に記載の吸収型半導体光変調器において、前記光導波路が埋め込み型光導波路であることを特徴としている。   In order to solve the above problems, in the absorption type semiconductor optical modulator according to claim 4 of the present invention, in the absorption type semiconductor optical modulator according to claim 1 or 2, the optical waveguide is a buried type optical waveguide. It is characterized by being.

本発明では、光が吸収されることにより大きな熱が発生する領域に幅の広いコアを設けることにより、生じたジュール熱を基板に逃がす。光電流が少なくなる領域では発生するジュール熱が小さいので、幅の狭いコアを設けて基板に逃がす。よって、本発明を用いることにより、光が伝搬する方向に沿って上面から見たコアの面積を必要最小限とすることができるので、電気的キャパシタンスを無為に大きくすることがなく、ジュール熱による素子破壊を避けるとともに高速光変調が可能となる。   In the present invention, by providing a wide core in a region where a large amount of heat is generated by absorbing light, the generated Joule heat is released to the substrate. Since the Joule heat generated in the region where the photocurrent is small is small, a narrow core is provided to escape to the substrate. Therefore, by using the present invention, it is possible to minimize the core area viewed from the upper surface along the light propagation direction, so that the electrical capacitance is not increased unnecessarily, and due to Joule heat. It is possible to avoid element destruction and to perform high-speed optical modulation.

また光が入射する側の光導波路がマルチモードを伝搬するようにコアの幅が広く構成されているので、光の結合損失が小さく、その結果吸収型半導体光変調器として挿入損失が小さいという大きな利点がある。   Also, since the core width is wide so that the optical waveguide on which light is incident propagates in multimode, the coupling loss of light is small, resulting in a large insertion loss as an absorption semiconductor optical modulator. There are advantages.

本発明の第1の実施形態に係わる吸収型半導体光変調器の概略構成を示す斜視図1 is a perspective view showing a schematic configuration of an absorption semiconductor optical modulator according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係わる吸収型半導体光変調器の上面図1 is a top view of an absorption semiconductor optical modulator according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態を製作するために結晶成長したウェーハ断面図Wafer cross-sectional view of crystal growth to produce the first embodiment of the present invention (a)は図2のB−B´側の端面近傍を伝搬する光のモード、(b)は図2のA−A´側の端面近傍を伝搬する光のモードを示す2A shows the mode of light propagating near the end surface on the BB ′ side in FIG. 2, and FIG. 2B shows the mode of light propagating near the end surface on the AA ′ side in FIG. 本発明の第2の実施形態に係わる吸収型半導体光変調器の概略構成を示す斜視図The perspective view which shows schematic structure of the absorption type semiconductor optical modulator concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係わる吸収型半導体光変調器の上面図The top view of the absorption type semiconductor optical modulator concerning the 2nd Embodiment of this invention 本発明の第3の実施形態に係わる吸収型半導体光変調器の概略構成を示す上面図The top view which shows schematic structure of the absorption type semiconductor optical modulator concerning the 3rd Embodiment of this invention 本発明の第4の実施形態に係わる吸収型半導体光変調器の概略構成を示す斜視図The perspective view which shows schematic structure of the absorption type semiconductor optical modulator concerning the 4th Embodiment of this invention. 第1の従来技術に係わる吸収型半導体光変調器の概略構成を示す斜視図The perspective view which shows schematic structure of the absorption type semiconductor optical modulator concerning 1st prior art 第1の従来技術の動作原理を説明する図The figure explaining the principle of operation of the 1st prior art 第1の従来技術の問題点を説明する図The figure explaining the problem of 1st prior art 第2の従来技術に係わる吸収型半導体光変調器の概略構成を示す斜視図The perspective view which shows schematic structure of the absorption type semiconductor optical modulator concerning a 2nd prior art 第2の従来技術の利点を説明する図The figure explaining the advantage of the 2nd prior art 第2の従来技術の製造工程を説明する図The figure explaining the manufacturing process of the 2nd prior art 第3の従来技術に係わる吸収型半導体光変調器の概略構成を示す斜視図The perspective view which shows schematic structure of the absorption type semiconductor optical modulator concerning a 3rd prior art 第4の従来技術に係わる吸収型半導体光変調器の概略構成を示す斜視図The perspective view which shows schematic structure of the absorption type semiconductor optical modulator concerning a 4th prior art 第4の従来技術に係わる吸収型半導体光変調器の上面図Top view of the absorption type semiconductor optical modulator according to the fourth prior art

以下、本発明の実施形態について説明するが、図9から図17に示した従来技術と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. Since the same numbers as those in the prior art shown in FIGS. 9 to 17 correspond to the same function units, the description of the function units having the same numbers is omitted here.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態における吸収型半導体光変調器についてその概略斜視図を図1に示す。ここで、30はn−InP下部クラッド層(あるいは簡単に、n−InPクラッド層)、31はi−MQWコア層、32はp−InP上部クラッド層(あるいは簡単に、p−InPクラッド層)、33はp−InGaAsコンタクト層、34は電気信号を印加するためのp電極である。35はボンディングパッド部である。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic perspective view of the absorption semiconductor optical modulator according to the first embodiment of the present invention. Here, 30 is an n-InP lower cladding layer (or simply, an n-InP cladding layer), 31 is an i-MQW core layer, and 32 is a p-InP upper cladding layer (or simply, a p-InP cladding layer). , 33 are p + -InGaAs contact layers, and 34 is a p-electrode for applying an electric signal. Reference numeral 35 denotes a bonding pad portion.

また、第1の実施形態の上面図を図2に示す。本発明の効果を最も大きく発揮するために、この第1の実施形態では光導波路をハイメサ構造としている。光が入射する端面近傍の幅Winは22μm程度、光が出射する端面近傍の幅Woutは2μm程度、そしてテーパ領域の長さLinは30μm程度である。このように、この第1の実施形態では光が入射する端面近傍の半導体材料の幅を広くしている(発生した大きな熱をn−InP基板1に伝えるために幅を広くした領域を熱伝導用半導体部という)。そして、この幅を広くした光入射端面側の光導波路をマルチモード光導波路としている。 A top view of the first embodiment is shown in FIG. In order to maximize the effects of the present invention, the optical waveguide has a high mesa structure in the first embodiment. The width W in the vicinity of the end face where the light enters is about 22 μm, the width W out near the end face where the light is emitted is about 2 μm, and the length L in of the tapered region is about 30 μm. As described above, in the first embodiment, the width of the semiconductor material in the vicinity of the end surface on which light is incident is widened (in order to transmit the large heat generated to the n + -InP substrate 1, the widened region is heated. This is called the conduction semiconductor part). Then, the optical waveguide on the light incident end face side with the wide width is used as a multimode optical waveguide.

従って、第4の従来技術と同様に本実施形態は光を光電流に変換する際に大きな熱が発生しても素子の破壊を避けることができる。なお、これらの寸法はあくまで一つの例であり、吸収されて大きな熱を発生する光入射側のi−MQWコア31の幅Winが、大きな光が入射する領域以外のコアを含む半導体の幅(ここでは、光出射側のi−MQWコア31の幅Wout)よりも広い限り、これら以外の値であってもよいことは言うまでもない。 Therefore, as in the fourth prior art, this embodiment can avoid the destruction of the element even if a large amount of heat is generated when converting light into photocurrent. Note that these dimensions are merely an example, absorbed by the width W in the i-MQW core 31 on the light incident side to generate large heat, semiconductors width is large light includes a core other than the region where the incident It goes without saying that values other than these may be used as long as they are wider than (the width W out of the i-MQW core 31 on the light emitting side).

この第1の実施形態の製作に当たっては、まず図3に示すように、n−InP基板1の上に、n−InP下部クラッド層(あるいは簡単に、n−InPクラッド層)36、i−MQWコア層37、p−InP上部クラッド層(あるいは簡単に、p−InPクラッド層)38、p−InGaAsコンタクト層39を結晶成長した後、図1のように例えば指数関数やべき乗型などの曲線のテーパ形状にエッチングをし、その後p電極34とn電極7を形成する。このように、本発明における第1の実施形態の製作においては結晶再成長をしなくてよいので、その製作工程は極めて簡単である。 The first In the fabrication of the embodiment, first, as shown in FIG. 3, n + -InP on the substrate 1, n-InP lower cladding layer (or simply, n-InP cladding layer) 36, i- After the MQW core layer 37, the p-InP upper clad layer (or simply the p-InP clad layer) 38, and the p + -InGaAs contact layer 39 are crystal-grown, as shown in FIG. Etching is performed in a curved taper shape, and then a p-electrode 34 and an n-electrode 7 are formed. As described above, in the manufacture of the first embodiment of the present invention, the crystal regrowth is not required, so that the manufacturing process is very simple.

さらに、図2からわかるように本発明では第4の従来技術と同じく、光が伝搬するに従ってメサの幅を狭くしている。従って、第4の従来技術と同様に、電気的キャパシタンスCを第2の従来技術よりも極めて低減することが可能となる。つまり、第4の従来技術と同じく電気的キャパシタンスCと負荷抵抗RによりCR定数から規定される光変調帯域を、第2の従来技術と比較して大幅に改善できる。   Further, as can be seen from FIG. 2, in the present invention, as in the fourth prior art, the width of the mesa is reduced as light propagates. Therefore, as in the fourth prior art, the electrical capacitance C can be greatly reduced as compared with the second prior art. That is, as in the fourth prior art, the optical modulation band defined by the CR constant by the electric capacitance C and the load resistance R can be greatly improved as compared with the second prior art.

このように、本発明では、1回の結晶成長で形成することができるので製作工程が極めて簡単となり、第4の従来技術と比較して吸収型半導体光変調器としてのコストを著しく低減できる。さらにi−MQWコア31が広いために大きなパワーの光を吸収しても発熱により壊れることがなく、また高周波光変調が可能になるという大きな利点がある。   As described above, in the present invention, since it can be formed by one crystal growth, the manufacturing process becomes extremely simple, and the cost as an absorption semiconductor optical modulator can be remarkably reduced as compared with the fourth prior art. Further, since the i-MQW core 31 is wide, there is a great advantage that even if light of high power is absorbed, it is not broken by heat generation, and high-frequency light modulation is possible.

さて、次に本発明の大きな特徴であるモード伝搬とその結果である光の結合損失(あるいは挿入損失)の観点から議論する。実際には図2に示されているように、本発明において光は入射側のA−A´側から入射し、出射側のB−B´側から出射する構成であるが、逆に本来は出射側であるB−B´側から光を入射し、本来は入射側のA−A´側から光を出射することを想定する。   Next, discussion will be made from the viewpoint of mode propagation and the resulting coupling loss (or insertion loss) of light, which is a major feature of the present invention. Actually, as shown in FIG. 2, in the present invention, light is incident from the AA 'side on the incident side and is emitted from the BB' side on the outgoing side. It is assumed that light is incident from the BB ′ side that is the emission side, and that light is originally emitted from the AA ′ side of the incident side.

図4(a)の40は光が入射したB−B´近傍のハイメサ型の光導波路を伝搬する光のモード(あるいは、光の界分布)である。この様子から単一モードが伝搬していることがわかる。図4(b)の41はB−B´側から入射した光がA−A´側から出射される際のモード(あるいは、光の界分布)であり、B−B´側の光のモード40とよく似た形となっている。以下、その理由について説明する。   Reference numeral 40 in FIG. 4A denotes a mode (or light field distribution) of light propagating through a high-mesa optical waveguide in the vicinity of BB ′ where light is incident. This shows that a single mode is propagating. Reference numeral 41 in FIG. 4B denotes a mode (or light field distribution) when light incident from the BB ′ side is emitted from the AA ′ side, and the light mode on the BB ′ side. The shape is very similar to 40. The reason will be described below.

図2において、A−A´側のメサの幅は広く、水平方向にマルチモード光導波路としている。そのため、A−A´側の固有モードをφ、φ、、、、φnー1、φとすると、B−B´側を伝搬する光ψはA−A´側の固有モードφ、φ、、、、φnー1、φを用いて
ψ=cφ+cφ+・・・+cn−1φn−1+cφ (2)
のように、展開できる。ここで、c、c、・・・cn−1、cは展開係数である。
In FIG. 2, the width of the mesa on the AA ′ side is wide and a multimode optical waveguide is formed in the horizontal direction. Therefore, if the eigenmodes on the A-A ′ side are φ 0 , φ 1, ..., Φ n−1 , φ n , the light ψ propagating on the BB ′ side is the eigenmode φ on the A-A ′ side. Using 0 , φ 1 ,..., Φ n−1 , φ n ψ = c 0 φ 0 + c 1 φ 1 +... + C n−1 φ n−1 + c n φ n (2)
Can be deployed. Here, c 0 , c 1 ,... C n−1 , c n are expansion coefficients.

つまり、(2)式はA−A´側のメサの幅がB−B´側のメサの幅よりも広く、より多くのモードを伝搬できるので、B−B´側を伝搬する光ψの形を再現できるように、展開係数c、c、・・・cn−1、cが自動的に調整されていることを意味している。従って、図2のLinで示した領域はあたかも自由空間のようにみなすことができる。 That is, since the width of the mesa on the AA ′ side is wider than the width of the mesa on the BB ′ side and more modes can be propagated in the expression (2), the light ψ propagating on the BB ′ side can be propagated. This means that the expansion coefficients c 0 , c 1 ,... C n−1 , c n are automatically adjusted so that the shape can be reproduced. Therefore, the region indicated by Lin in FIG. 2 can be regarded as if it were a free space.

以上のことは本実施形態の本来の使用方法であるA−A´側から光を入射した場合にも同じである。つまり、A−A´側から光を入射してもその入射光はA−A´側のマルチモードを用いて(2)式のように展開され、入射光のモードの形をほぼ保ったまま、図2のLinで示した領域を自由空間のように伝搬する。 The above is the same when light is incident from the AA ′ side, which is the original method of use of the present embodiment. In other words, even if light is incident from the A-A ′ side, the incident light is developed as shown in Equation (2) using the multi-mode on the A-A ′ side, and the shape of the incident light mode is substantially maintained. The region indicated by Lin in FIG. 2 propagates like a free space.

これらを電磁界解析的に厳密に表現すると、入射光は自由空間を伝搬しているのではなく、マルチモードを構成する各モードが入射光のエネルギーを分担して運び、それらのマルチモードを合成した結果、あたかも自由空間を伝搬しているように見えると言うことができる。   When these are expressed strictly in terms of electromagnetic field analysis, incident light does not propagate in free space, but the modes that make up the multimode share the energy of the incident light and synthesize those multimodes. As a result, it can be said that it seems to propagate in free space.

また、n−InP基板1へのジュール熱の伝導効率を高めるためにp−InPクラッド32の幅を広くする際に、その際に界分布が奇関数である1次の高次モードまで励振される程度に広くすると、より高次モードまで励振されるようにp−InPクラッド32の幅を広くした場合と比較して光の結合損失という観点からは不利となるものの、熱破壊に対して強くなるという本発明の効果を発揮することができる。 Further, when the width of the p-InP clad 32 is increased in order to increase the efficiency of Joule heat conduction to the n + -InP substrate 1, the first-order higher-order mode whose field distribution is an odd function at that time is excited. If the width of the p-InP clad 32 is increased so as to be excited to a higher order mode, it is disadvantageous from the viewpoint of optical coupling loss, but against thermal breakdown. The effect of the present invention to become strong can be exhibited.

なお、光導波路の単一モード性やマルチモード性は単にハイメサ光導波路のメサの幅や埋め込み光導波路の埋め込まれたコアの幅により決定されるわけではない。つまり、ハイメサの場合にはコアの厚み、及びコアと上下のクラッドとの屈折率の差が、また埋め込み光導波路の場合には埋め込まれたコアの厚み、及び埋め込まれたコアと上下あるいは左右のクラッドとの屈折率の差が重要な影響を与える。従って、メサの幅や埋め込まれたコアの幅を広くしても単一モードとできるが、本発明では光導波路をあえてマルチモードとすることにより、入射光の結合損失、ひいては吸収型半導体光変調器としての挿入損失を低減している。   The single-mode property and multi-mode property of the optical waveguide are not simply determined by the width of the mesa of the high mesa optical waveguide or the width of the core in which the embedded optical waveguide is embedded. That is, in the case of high mesa, the thickness of the core and the difference in refractive index between the core and the upper and lower claddings, and in the case of an embedded optical waveguide, the thickness of the embedded core, and The difference in refractive index from the cladding has an important effect. Therefore, even if the width of the mesa or the embedded core is widened, a single mode can be obtained. However, in the present invention, by combining the optical waveguide with a multimode, the coupling loss of incident light, and hence the absorption semiconductor light modulation, can be achieved. The insertion loss as a device is reduced.

また、図2のLinの長さは10μm〜30μm、あるいはせいぜい50μm程度と短いので、A−A´に入射した光はほとんどモード形状を保ったまま(厳密には少し広がりつつ)伝搬するので、吸収型半導体光変調器としての光の挿入損失が大幅に増加することはない。 In addition, since the length of Lin in FIG. 2 is as short as 10 μm to 30 μm, or at most about 50 μm, the light incident on AA ′ propagates while maintaining almost the mode shape (strictly spreading a little). The insertion loss of light as an absorption semiconductor optical modulator does not increase significantly.

一方、本発明と異なり、(i−MQWコア層31の厚みを薄くするなどして)A−A´側を単一モード条件を保ちつつメサの幅を広げると、その単一モードは極めて扁平な形状となり、A−A´での光の結合効率、及び図2において光の入射側の端面からLinの距離の点でB−B´側に向かう領域への光の結合効率が著しく劣化し、結果的に挿入損失が大きくなってしまう。つまり、本発明ではA−A´側をマルチモードとすることにより、そうした問題を解決している。さらに図2のLinの領域をテーパ形状としているので、挿入損失の増加を効果的に抑えている。 On the other hand, unlike the present invention, when the mesa width is widened while maintaining the single mode condition on the AA ′ side (for example, by reducing the thickness of the i-MQW core layer 31), the single mode becomes extremely flat. shape and become, a-A'in the optical coupling efficiency, and significantly deteriorated coupling efficiency of light from the end face of the light incident side in FIG. 2 to the L in the region towards the B-B'-side in terms of the distance As a result, the insertion loss increases. That is, in the present invention, such a problem is solved by setting the AA ′ side to the multimode. Further, since the area of Lin in FIG. 2 is tapered, an increase in insertion loss is effectively suppressed.

(第2の実施形態)
本発明における熱伝導用半導体部の幅について、指数関数やべき乗関数の場合ほど効果的ではないが、熱伝導用半導体部の幅を指数関数やべき乗関数以外の曲線やあるいは直線の形状で光の伝搬方向に沿って幅を狭くしても良い。例として、図1に示した本発明における第1の実施形態について熱伝導用半導体部のテーパ部の曲線形状を直線形状とした場合を本発明における第2の実施形態の吸収型半導体光変調器としてその概略斜視図を図5に、上面図を図6に示す。図中、図1に示す第1の実施形態の吸収型半導体光変調器と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略した。
(Second Embodiment)
The width of the semiconductor portion for heat conduction in the present invention is not as effective as in the case of an exponential function or a power function, but the width of the semiconductor portion for heat conduction is set to a curve or a straight line other than the exponential function or the power function. The width may be narrowed along the propagation direction. As an example, the absorption semiconductor optical modulator of the second embodiment of the present invention is a case where the curved shape of the taper portion of the semiconductor portion for heat conduction is a straight shape in the first embodiment of the present invention shown in FIG. The schematic perspective view is shown in FIG. 5, and the top view is shown in FIG. In the figure, the same parts as those in the absorption semiconductor optical modulator of the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description of the overlapping parts is omitted.

なお、以上の説明においては、メサの幅を狭くする際の形状として、指数関数やべき乗曲線と直線について説明したが、その他に三角関数などあらゆる曲線でもよいし、直線と曲線の組み合わせでも良いことは言うまでもない。さらに、メサの幅を直線では無く階段状に不連続に狭くしても良い。   In the above description, the exponential function and the power curve and the straight line have been described as the shape when the width of the mesa is narrowed. Needless to say. Furthermore, the width of the mesa may be narrowed discontinuously in a step shape instead of a straight line.

(第3の実施形態)
図7は本発明における第3の実施形態における吸収型半導体光変調器の上面図である。図7からわかるように本実施形態では光が入射側するマルチモード領域の形状を矩形としている。テーパ形状の場合と比較して矩形とすると挿入損失がやや増えるものの本発明としての効果に問題はない。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a top view of an absorption semiconductor optical modulator according to the third embodiment of the present invention. As can be seen from FIG. 7, in this embodiment, the shape of the multi-mode region on which light is incident is rectangular. When the rectangular shape is used compared to the tapered shape, the insertion loss is slightly increased, but there is no problem in the effect of the present invention.

(第4の実施形態)
図8は本発明における第4の実施形態における吸収型半導体光変調器の概略斜視図である。ここで、42はn−InP下部クラッド層(あるいは簡単に、n−InPクラッド層)、43はi−MQWコア層、44はp−InP上部クラッド層(あるいは簡単に、p−InPクラッド層)、45はp−InGaAsコンタクト層、46はi−InP埋め込み層、47電気信号を印加するためのp電極である。48はボンディングパッド部である。
(Fourth embodiment)
FIG. 8 is a schematic perspective view of an absorption semiconductor optical modulator according to the fourth embodiment of the present invention. Here, 42 is an n-InP lower cladding layer (or simply, an n-InP cladding layer), 43 is an i-MQW core layer, and 44 is a p-InP upper cladding layer (or simply, a p-InP cladding layer). , 45 is a p + -InGaAs contact layer, 46 is an i-InP buried layer, and 47 is a p-electrode for applying an electric signal. Reference numeral 48 denotes a bonding pad portion.

第4の実施形態と図1に示したハイメサ光導波路の構造である本発明の第1の実施形態と異なり、第4の実施形態では図8に示されているようにi−MQWコア層43の左右にi−InP埋め込み層46があり、いわば本実施形態は埋め込み光導波路の構造となっている。なお、本実施形態においても光入射端面側のi−MQWコア層43の幅を光出射端面側のi−MQWコア層43の幅よりも広く構成し、この光入射端面側の光導波路をマルチモード光導波路としている。   Unlike the first embodiment of the present invention which is the structure of the high mesa optical waveguide shown in the fourth embodiment and FIG. 1, in the fourth embodiment, the i-MQW core layer 43 as shown in FIG. There are i-InP buried layers 46 on the left and right sides, so to speak, this embodiment has a structure of a buried optical waveguide. Also in this embodiment, the width of the i-MQW core layer 43 on the light incident end face side is configured to be wider than the width of the i-MQW core layer 43 on the light exit end face side, and the optical waveguide on the light incident end face side is multi It is a mode optical waveguide.

本実施形態では図8からわかるように本実施形態は結晶再成長を行う必要がある。従って、本実施形態により製作した半導体光変調器は本発明の他の実施形態と比較してコストの観点から不利ではあるが、光の入射側の光導波路がマルチモードであるため光の挿入損失が小さいという利点は有している。   In this embodiment, as can be seen from FIG. 8, it is necessary to perform crystal regrowth in this embodiment. Therefore, the semiconductor optical modulator manufactured according to this embodiment is disadvantageous from the viewpoint of cost as compared with the other embodiments of the present invention, but the optical insertion loss because the optical waveguide on the light incident side is multimode. Has the advantage of being small.

(各種実施形態)
基板についてはn−InP材料を想定したが、p−InP基板や半絶縁性InP基板など、基板の種類によらないことはもちろんであるし、光吸収部の材料としてi−InGaAsP−InGaAsP MQWを想定したが、i−InGaAs/InGaAsP MQW、i−InGaAs/InP MQW層、i−InGaAlAs/InAlAs MQWなど、その他の多重量子井戸でもよいし、i−InGaAsPやi−InGaAlAsなどバルク材料でも良い。
(Various embodiments)
The substrate is assumed to be an n + -InP material, but it is not dependent on the type of substrate such as a p + -InP substrate or a semi-insulating InP substrate, and i-InGaAsP-InGaAsP is used as a material for the light absorbing portion. Although MQW is assumed, other multiple quantum wells such as i-InGaAs / InGaAsP MQW, i-InGaAs / InP MQW layer, i-InGaAlAs / InAlAs MQW, and bulk materials such as i-InGaAsP and i-InGaAlAs may be used. .

また、FeドープInPのような半絶縁性InPを用いた埋め込み装置と埋め込み技術は必要ないとしたが、もちろん用いても良いし、発生したジュール熱を基板に逃がすことができれば、これら以外の材料を用いてもよいことは言うまでもない。   In addition, although the embedding apparatus using the semi-insulating InP such as Fe-doped InP and the embedding technique are not necessary, of course, it may be used, and other materials can be used as long as the generated Joule heat can be released to the substrate. It goes without saying that may be used.

さらに、本発明は発熱した熱を分散させるためのものであるから、光を吸収し電流に変換した結果、熱を発生する半導体受光器のようなその他の半導体デバイスにも適用可能である。   Furthermore, since the present invention is for dispersing the heat generated, it can be applied to other semiconductor devices such as a semiconductor light receiver that generates heat as a result of absorbing light and converting it into a current.

1:n−InP基板
2、11、17、30、36、42:n−InP下部クラッド層
3、12、18、31、37、43:i−MQWコア層
4、13、23、25、32、38、44:p−InP上部クラッド層
5、14、26、33、39、45:p−InGaAsコンタクト層
6、16、28、34、47:p電極
7:n電極
8:ポリイミド
9:ボンディングワイヤ
10、29、35、48:ボンディングパッド
15、27、46:i−InP埋め込み層
19、21:マスク
20、22:フォトレジスト
24:Fe−InP埋め込み層
40、41:光のモード(あるいは光の界分布)
1: n + -InP substrate 2, 11, 17, 30, 36, 42: n-InP lower clad layer 3, 12, 18, 31, 37, 43: i-MQW core layer 4, 13, 23, 25, 32, 38, 44: p-InP upper clad layer 5, 14, 26, 33, 39, 45: p + -InGaAs contact layer 6, 16, 28, 34, 47: p electrode 7: n electrode 8: polyimide 9 : Bonding wire 10, 29, 35, 48: Bonding pad 15, 27, 46: i-InP buried layer 19, 21: Mask 20, 22: Photoresist 24: Fe-InP buried layer 40, 41: Light mode ( Or distribution of light field)

Claims (4)

半導体基板上に、少なくとも光を吸収する機能を有するコア層を含む光導波路を形成し、該光導波路は光入射端面と光出射端面とを有しており、前記光入射端面から入射される光が前記光導波路を伝搬する過程で前記コア層に吸収されることにより光電流が生成される吸収型半導体光変調器において、
前記コア層は、前記生成された光電流に起因するジュール熱による熱破壊を避けるために、前記ジュール熱を前記半導体基板に逃がすように、前記光入射端面側の幅が前記光出射端面側の幅よりも広く形成されているとともに前記光の伝搬方向に向かって狭くなって形成され、
また、前記光入射端面側の前記光導波路は、その幅が前記コア層と同じく前記光出射端面側の幅よりも広く形成されているとともにマルチモード光導波路で構成され、前記光入射端面から入射される光の界分布の形を保ったまま前記光出射端面まで前記光導波路を伝搬することを特徴とする吸収型半導体光変調器。
An optical waveguide including at least a core layer having a function of absorbing light is formed on a semiconductor substrate, and the optical waveguide has a light incident end surface and a light emitting end surface, and light incident from the light incident end surface In an absorption semiconductor optical modulator in which a photocurrent is generated by being absorbed by the core layer in the process of propagating through the optical waveguide,
The core layer has a width on the light incident end face side on the light emitting end face side so as to release the Joule heat to the semiconductor substrate in order to avoid thermal destruction due to Joule heat caused by the generated photocurrent. together are made form widely than the width formed narrower toward the propagation direction of the light,
Further, the optical waveguide of the light incident end surface side is formed by a multimode optical waveguide with a width of that have been made wider rather form than the width of likewise the light emitting end face side of the core layer, the light entrance An absorptive semiconductor optical modulator, wherein the optical waveguide propagates to the light emitting end face while maintaining the shape of the field distribution of light incident from the end face .
前記コア層の幅を曲線形状、直線形状、および階段形状の少なくとも一つの形状に従って狭くしていくことを特徴とする請求項1に記載の吸収型半導体光変調器。   2. The absorption semiconductor optical modulator according to claim 1, wherein the width of the core layer is narrowed according to at least one of a curved shape, a linear shape, and a stepped shape. 前記光導波路がハイメサ型光導波路であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の吸収型半導体光変調器。   3. The absorption semiconductor optical modulator according to claim 1, wherein the optical waveguide is a high mesa optical waveguide. 前記光導波路が埋め込み型光導波路であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の吸収型半導体光変調器。
3. The absorption semiconductor optical modulator according to claim 1, wherein the optical waveguide is a buried optical waveguide.
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