JP5086141B2 - 電界吸収型変調器 - Google Patents

Description

本発明は、電界吸収型変調器に関し、特に、信号電極の形状に関する。

光の強度を変調する光変調器の一つに、半導体の電界吸収効果を用いた電界吸収型変調器（Electro Absorption modulator、以下「ＥＡ変調器」という）がある。電界吸収効果とは、量子井戸構造を持つ半導体に電界を印加することにより、伝導帯と価電子帯のエネルギー準位差が変化し、量子井戸構造を伝搬する光の吸収量が変化する現象である。

ＥＡ変調器は、多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）構造を持つ光導波層がｐ型半導体とｎ型半導体で挟み込まれたダブルへテロ構造のＰＩＮ接合と、ＰＩＮ接合に電圧を印加するためのｐ側電極およびｎ側電極と、を含んで構成されている。

このＰＩＮ接合に電圧を印加すれば、光導波層に電界が印加されるため、光導波層に入力された光は正孔と電子に別れて消滅する。その結果、光導波層内を通過する光が減少し、光信号のオフ状態が実現される。逆に、ＰＩＮ接合に電圧を印加しなければ、光は吸収されることなく光導波層を通過するため、光信号のオン状態が実現される。

すなわち、ＥＡ変調器は、ＰＩＮ接合に印加される電圧に応じて光導波層を伝搬する光の吸収量を変化させることにより、光の強度変調を実現する。このため、たとえばＥＡ変調器の光導波層にレーザ光を入力し、ＥＡ変調器のｐ側電極およびｎ側電極に高周波信号に応じた電圧を印加することにより、レーザ光を高周波信号で変調することができる。

図５は、一般的なＥＡ変調器５０の上面図である。同図に示すように、ＥＡ変調器５０のｐ側電極（信号電極）７０は、光導波層６０に電界を印加するために光導波層６０の上方に位置するよう形成されたメサ部７２と、光導波層６０に印加される電界を変化させる変調電圧（信号電圧）を供給する電気信号線が接続されるＰＡＤ部７４と、から構成される（たとえば特許文献１参照）。
特開２００１−１１７０５８号公報

図６は、ＥＡ変調器５０の光導波層６０における光吸収量の分布を示す図である。同図に示すように、ＥＡ変調器５０に入力された光の吸収量は、光導波層６０の入力端６０ａで最も高く、出力端６０ｂに近づくにつれ徐々に低下する。

光導波層６０で光が吸収される際、すなわち光導波層６０で光が正孔と電子に変換される際、必ず変換ロスが生じる。ここで失われたエネルギーは熱エネルギーとなるため、光の吸収量が多くなると発熱量も多くなる。このため、光導波層６０での発熱量の分布は、図６に示す光吸収量と同じ傾向を示す。すなわち、光導波層６０での発熱量は、入力端６０ａで最も高く、出力端６０ｂに近づくにつれ徐々に低下する。

しかしながら、上記従来のＥＡ変調器５０では、発熱量が最も大きい入力端６０ａ近傍の電極幅が狭く、電気信号線の接続される幅の広いＰＡＤ部７４がメサ部７２の中央付近に配置されているため、ｐ側電極７０を介した放熱が十分に行われず、結果としてＥＡ変調器５０の周波数特性が劣化（消光比の劣化により変調誤り率が増大）するおそれがあった。

本発明では、放熱性が高く、周波数特性に優れた電界吸収型変調器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る電界吸収型変調器は、半導体基板に、印加される電界に応じて光の吸収量が変化する光導波層と、前記光導波層の入力端に入力され出力端から出力される光の経路に沿って延伸するメサ領域と電気信号線が接続されるパッド領域とを有し前記光導波層に電界を印加する信号電極と、が形成された電界吸収型変調器であって、前記信号電極は、前記メサ領域における前記入力端側の部分領域から前記パッド領域への伝熱性が、前記メサ領域における前記出力端側の部分領域から前記パッド領域への伝熱性より高くなるような、形状を有することを特徴とする。

本発明によれば、発熱量の大きい光導波層の入力端付近で発生する熱を信号電極（特に、電気信号線が接続されるパッド領域）を介して効率よく放散することができる。また、放熱性の向上により、電界吸収型変調器の周波数特性や消光特性が向上する。

また、本発明の一態様では、前記信号電極は、前記パッド領域と、該パッド領域から離間して配置される前記メサ領域の前記入力端側の部分領域と、を接続する帯状領域をさらに有する。この態様によれば、発熱量の大きい光導波層の入力端付近で発生する熱が信号電極のパッド領域に伝導されやすくなるため、電界吸収型変調器の放熱性が向上する。

この態様では、前記帯状領域の幅を、前記パッド領域の幅より小さくしてもよい。こうすれば、信号電極の帯状領域による静電容量の増加が抑制されるため、電界吸収型変調器の高周波特性が向上する。

また、本発明の一態様では、前記パッド領域は、前記メサ領域の中央部よりも前記入力端側に配置されている。この態様によれば、発熱量の大きい光導波層の入力端と信号電極のパッド領域との距離が小さくなるため、電界吸収型変調器の放熱性がさらに向上する。

また、本発明の一態様では、前記パッド領域は、前記メサ領域の前記入力端側の部分領域に接している（直接接続されている）。この態様によれば、発熱量の大きい光導波層の入力端と信号電極のパッド領域との距離が最小化されるため、電界吸収型変調器の放熱性が向上する。

この態様では、前記パッド領域が前記半導体基板の前記入力端側の端面に接しないよう、前記パッド領域を前記端面から離して配置してもよい。こうすれば、基板表面からのパッド領域の剥離を防ぐことができる。

本発明によれば、発熱量の大きい光導波層の入力端付近で発生する熱を信号電極（特に、電気信号線が接続されるパッド領域）を介して効率よく放散することができる。また、放熱性の向上により、電界吸収型変調器の周波数特性が向上する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の符号を付し、重複説明を省略する。

［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係るＥＡ変調器１０の上面図である。図２は、図１に示すＥＡ変調器１０のII−II切断面を示す断面図である。

図２に示すように、ＥＡ変調器１０は、ｎ型ＩｎＰ基板３０と、有機金属気相法による公知の選択成長法によりｎ型ＩｎＰ基板３０上に形成された光導波層（メサ）３２、ｐ型ＩｎＰクラッド層３４、ＩｎＧａＡｓコンタクト層３６、埋め込み層３８と、公知の蒸着法およびエッチング法により形成されたｐ側電極（信号電極）４０、ｎ側電極（接地電極）４８と、を含んで構成される。ＥＡ変調器１０の厚さは、たとえば１００μｍ前後である。

光導波層３２は、ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層と障壁層からなる多重量子井戸層、およびＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層から構成されている。また、光導波層３２は、図２に示すように、左右両側から埋め込み層３８で挟み込まれており、たとえば１．５〜３μｍの幅を有する。また、光導波層３２は、ｐ型ＩｎＰクラッド層３４およびｎ型ＩｎＰ基板とともに、ＰＩＮ接合を実現している。光導波層３２には入力端３２ａから光が入力され、出力端３２ｂから信号光が出力される。

ｐ側電極４０は、図１および２に示すように、光導波層３２に電界を印加するために光導波層３２の上方に位置するよう形成されたメサ部４２（幅８〜２０μｍ）と、図示しない電気信号線（直径２５μｍ程度）が接続されるＰＡＤ部４４（１辺５０〜１００μｍ）と、互いに離間して配置されるメサ部４２とＰＡＤ部４４とを接続する帯状のＰＡＤ接続部４６（幅５〜１０μｍ）と、から構成される厚さ０．７μｍ前後の電極である。

ｎ側電極４８は、図２に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板３０の裏面全面に形成され、接地電位が印加される厚さ０．８μｍ前後の電極である。

ｐ側電極４０とｎ側電極４８との間に電気信号線を介して変調電圧（信号電圧）が印加されると、光導波層３２にはｐ側電極４０からｎ側電極４８方向に変調電界が印加される。光導波層３２の入力端３２ａから入射する光の一部または全部は、この変調電界によって光導波層３２に吸収される。上述したとおり（図６参照）、光の吸収による光導波層３２での発熱量は、入力端３２ａで最大となり、出力端３２ｂに近づくにつれ徐々に低下する。

実施形態１では、メサ部４２の入力端３２ａ側の部分領域とＰＡＤ部４４とを接続するＰＡＤ接続部４６が、ｐ側電極４０に設けられている。すなわち、メサ部４２の入力端３２ａ側の部分領域からＰＡＤ部４４への伝熱性が、メサ部４２の出力端３２ｂ側の部分領域からＰＡＤ部４４への伝熱性より高くなるよう、ｐ側電極４０の形状が形成されている。これにより、光導波層３２の入力端３２ａ付近で発生する熱をｐ側電極４０、特に、電気信号線が接続されるＰＡＤ部４４を介して効率よく放散することができる。

なお、ｐ側電極４０のＰＡＤ部４４は、図１に示す位置より出力端３２ｂ側に配置されてもよいが、図１に示す位置よりさらに入力端３２ａ側に配置される方が望ましい。こうすれば、発熱量の大きい光導波層３２の入力端３２ａとＰＡＤ部４４との距離が小さくなるため、ＥＡ変調器１０の放熱性がさらに向上する。

また、帯状のＰＡＤ接続部４６の幅は、図１に示す幅に限定されないが、少なくともＰＡＤ部４４の縦幅または横幅より小さいことが望ましい。図２から分かるとおり、ｐ側電極４０とｎ側電極４８はコンデンサを構成しており、このコンデンサの静電容量の増加を抑制することにより、ＥＡ変調器１０の高周波特性が向上するからである。

［実施形態２］
図３は、本発明の実施形態２に係るＥＡ変調器１２の上面図である。ＥＡ変調器１２は、上記実施形態１に係るＥＡ変調器１０と類似の構成を有するが、同図に示すように、ｐ側電極４０の形状がＥＡ変調器１０のそれと異なる。

すなわち、ＥＡ変調器１２のｐ側電極４０は、図３に示すように、光導波層３２に電界を印加するために光導波層３２の上方に位置するよう形成されたメサ部４２（幅８〜２０μｍ）と、図示しない電気信号線（直径２５μｍ程度）が接続されるＰＡＤ部４４（１辺５０〜１００μｍ）と、から構成される厚さ０．７μｍ前後の電極である。

実施形態２では、光導波層３２の入力端３２ａとＰＡＤ部４４との距離が最小化されるよう、ＰＡＤ部４４がメサ部４２の入力端３２ａ側の部分領域に接している（直接接続されている）。すなわち、メサ部４２の入力端３２ａ側の部分領域からＰＡＤ部４４への伝熱性が、メサ部４２の出力端３２ｂ側の部分領域からＰＡＤ部４４への伝熱性より高くなるよう、ｐ側電極４０の形状が形成されている。これにより、光導波層３２の入力端３２ａ付近で発生する熱をｐ側電極４０、特に、電気信号線が接続されるＰＡＤ部４４を介して効率よく放散することができる。

なお、ｐ側電極４０のＰＡＤ部４４が半導体基板の入力端３２ａ側の端面に接しないよう、ＰＡＤ部４４と端面との間に間隙が形成されてもよい。こうすれば、基板表面からのＰＡＤ部の剥離を防ぐことができる。

以上説明したＥＡ変調器１０および１２によれば、発熱量の大きい光導波層３２の入力端３２ａ付近で発生する熱をｐ側電極４０、特に、電気信号線が接続されるＰＡＤ部４４を介して効率よく放散することができる。また、放熱性の向上により、ＥＡ変調器の周波数特性を向上させることできる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、ＥＡ変調器全般に適用可能である。すなわち、上記実施形態で示したＥＡ変調器の構造、材料、寸法は一例にすぎず、他の構造、材料、寸法で構成されたＥＡ変調器に本発明を適用してもよい。また、半導体レーザとモノリシックに集積されたＥＡ変調器集積半導体レーザ（図４参照）に本発明を適用してもよい。

また、信号電極のＰＡＤ部の形状は、電気信号線を接続するための領域が確保されていれば、四角形に限定されず、たとえば円形や三角形であってもよい。

本発明の実施形態１に係るＥＡ変調器の上面図である。 図１に示すＥＡ変調器のII−II切断面を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係るＥＡ変調器の上面図である。 本発明の他の実施形態に係るＥＡ変調器集積半導体レーザの上面図である。 従来のＥＡ変調器の上面図である。 ＥＡ変調器の光導波層における光吸収量の分布を示す図である。

符号の説明

１０，１２，１６，５０ 電界吸収型変調器（ＥＡ変調器）、１４ 半導体レーザ部、１８ ＥＡ変調器集積半導体レーザ、３０ ｎ型ＩｎＰ基板、３２，６０ 光導波層（メサ）、３２ａ，６０ａ 光導波層の入力端、３２ｂ，６０ｂ 光導波層の出力端、３４ ｐ型ＩｎＰクラッド層、３６ ＩｎＧａＡｓコンタクト層、３８ 埋め込み層、４０，７０ ｐ側電極（信号電極）、４１ ｐ側電極、４２，７２ メサ部、４４，７４ ＰＡＤ部、４６ ＰＡＤ接続部、４８ ｎ側電極（接地電極）。

Claims (5)

1. 半導体基板に、印加される電界に応じて光の吸収量が変化する光導波層と、前記光導波層に電界を印加するための信号電極と、が形成された電界吸収型変調器であって、
   前記信号電極は、
   前記光導波層の入力端に入力され出力端から出力される光の経路に沿って延伸するメサ部と、
   前記入力端を含む第１端面と前記出力端を含む第２端面と前記メサ部とからそれぞれ離間して配置されるとともに電気信号線が接続されるパッド部と、
   前記パッド部と、前記パッド部より前記第１端面側に位置する前記メサ部の部分領域と、を接続するパッド接続部と、
   を備え、
   前記メサ部における前記入力端側の部分領域から前記パッド部への伝熱性が、前記メサ部における前記出力端側の部分領域から前記パッド部への伝熱性より高くなるような、形状を有する、
   ことを特徴とする電界吸収型変調器。
2. 請求項１に記載の電界吸収型変調器において、
   前記メサ部の前記部分領域は、前記第１端面に及んでいる、
   ことを特徴とする電界吸収型変調器。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載の電界吸収型変調器において、
   前記パッド接続部の幅は、前記パッド部の幅より小さい、
   ことを特徴とする電界吸収型変調器。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電界吸収型変調器において、
   前記パッド部は、前記メサ部の中央部よりも前記第１端面側に配置されている、
   ことを特徴とする電界吸収型変調器。
5. 請求項１から４のいずかに記載の電界吸収型変調器と、半導体レーザとが、モノリシックに集積された半導体素子。

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