JP5497678B2 - Semiconductor optical integrated device - Google Patents
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本発明は半導体光集積素子に関し、より詳しくはLD素子と高速・高効率な半導体光変調素子を逆メサ方向にモノリシック集積した半導体光集積素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor optical integrated device, and more For details relates to a semiconductor optical integrated device monolithically integrated LD element and high-speed, high-efficiency optical modulator in the reverse mesa direction.
高速大容量光通信システムに使用されるトランスミッタは、通常、レーザダイオード(LD)光源と外部変調器を組み合わせて光信号を発生させる方式を取る。この種の目的に使用される典型的な外部変調器は、LiNbO3(LN)導波路で製作されるLN変調器である。電気光学効果による屈折率の変調がその動作の基本であり、単純な光位相変調器のほかに、マッハ・ツェンダ干渉計を組んだ光強度変調器などがある。 A transmitter used in a high-speed and large-capacity optical communication system usually employs a method of generating an optical signal by combining a laser diode (LD) light source and an external modulator. A typical external modulator used for this type of purpose is an LN modulator fabricated with a LiNbO 3 (LN) waveguide. Modulation of the refractive index by the electro-optic effect is the basic operation, and there are a light intensity modulator including a Mach-Zehnder interferometer in addition to a simple optical phase modulator.
最近、小型化の面でLN変調器よりも有利な半導体光変調器が注目されている。特にLDと同一材料で作製可能な半導体光変調器は大容量集積素子を小型かつモノリシックに集積できる点で優れている。 Recently, semiconductor optical modulators that are more advantageous than LN modulators in terms of miniaturization have attracted attention. In particular, a semiconductor optical modulator that can be manufactured using the same material as the LD is excellent in that a large-capacity integrated device can be integrated in a small and monolithic manner.
半導体光変調器にはヘテロpin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光変調器や、更なる低電圧駆動の光変調器を実現すべく両方のInPクラッド層をn型とし、電子電流を抑制するためのバリア層として薄いp型半導体の層(p型のバリア層)を挿入したnpin形の半導体光変調器構造が提案されている(例えば、特許文献1を参照。)。このnpin形は、光損失の要因となるp型のクラッド層を使わないため、比較的長い導波路を用いることを可能とし、駆動電圧を下げる上で優位となる。また、空乏層厚を任意に最適設計できるという自由度があるため、電気インピーダンスの整合と、電気速度/光速度の整合を同時に満足しやすく、高速化にも有利である、という特徴を持つ。 The semiconductor optical modulator uses a hetero pin junction, and an InP / InGaAsP optical modulator that effectively applies a voltage to the core portion of the waveguide along with light confinement, and further low-voltage driven optical modulation. An npin type semiconductor optical modulator structure in which both InP cladding layers are made n-type and a thin p-type semiconductor layer (p-type barrier layer) is inserted as a barrier layer for suppressing electron current in order to realize a device. It has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Since this npin type does not use a p-type cladding layer that causes optical loss, it is possible to use a relatively long waveguide, which is advantageous in lowering the driving voltage. Further, since there is a degree of freedom that the thickness of the depletion layer can be arbitrarily optimized, it is easy to satisfy the matching of the electric impedance and the matching of the electric speed / light speed at the same time, and it is advantageous for speeding up.
上記pin形やnpin形においては一次の電気光学効果(ポッケルス効果)の他に、半導体特有のフランツ・ケルディッシュ効果(FK効果)、さらにコア部分を多重量子井戸構造にしたことによる量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)を同時に用いることで高効率な光変調動作が可能となっている。 In the pin and npin types, in addition to the primary electro-optic effect (Pockels effect), the semiconductor-specific Franz-Keldish effect (FK effect), and the quantum confined Stark effect due to the core structure having a multiple quantum well structure By using (QCSE) at the same time, a highly efficient optical modulation operation is possible.
ここで図6に関する説明をする。図6は逆バイアスとしての電界方向が[100]方向、すなわち基板上方に向かって電界が印加された場合のポッケルス効果による屈折率楕円体変化を図示している。なお、伝搬する光の偏光はTE偏波とする。通常、InP、GaAsなどの閃亜鉛鉱形結晶は電界を印加しない場合、結晶中の屈折率は結晶方位に依らず等方的(n0)であるのに対して(図中(1)、結晶中に電界が印加されると、その印加方向に応じた結晶特有の屈折率変化が生じる(図中(2))。TE偏波光を順メサ方向に伝搬させた場合、TE偏波光はポッケルス効果によって屈折率が増大した領域を伝搬することになる。一方、逆メサ方向にTE偏波光を伝搬させた場合はポッケルス効果によって屈折率が小さくなった領域を伝搬することになる。ここで図中のr41は電気光学定数である。 Here, a description of FIG. 6 will be given. FIG. 6 shows the refractive index ellipsoid change due to the Pockels effect when the electric field direction as the reverse bias is [100], that is, when the electric field is applied upward of the substrate. Note that the polarization of propagating light is TE polarization. Normally, zinc-blende crystals such as InP and GaAs are isotropic (n 0 ) regardless of crystal orientation when no electric field is applied ((1) in the figure) When an electric field is applied to the crystal, a refractive index change peculiar to the crystal occurs in accordance with the direction of application ((2) in the figure) When TE polarized light is propagated in the forward mesa direction, TE polarized light is Pockels. On the other hand, when TE polarized light is propagated in the reverse mesa direction, it propagates in a region where the refractive index is small due to the Pockels effect. In the figure, r 41 is an electro-optic constant.
上述したポッケルス効果は光の伝搬方向によって屈折率変化の増減が異なるのに対して、FK効果やQCSEは結晶に印加される電界強度のみによってその増減が変化する。すなわち、逆バイアスが印加される下では順メサ方向や逆メサ方向を問わず電界強度増大に伴いその屈折率変化は増大する方向へシフトする。図7は電圧印加に伴うFK効果及びQCSEの屈折率増大に加えて、ポッケルス効果による屈折率増減を含めた屈折率変化量の総和を規格化した図である。図7より、印加電圧に伴い屈折率変化を増大させる、すなわち高効率な変調動作を得るためにはFK効果、QCSE及びポッケルス効果を相乗させた図7中[1]に示す大きな屈折率変化特性を実現させる必要がある。 While the Pockels effect described above varies in refractive index change depending on the light propagation direction, the FK effect and QCSE change only in accordance with the electric field strength applied to the crystal. That is, when a reverse bias is applied, the refractive index change shifts in the direction of increasing as the electric field strength increases regardless of the forward mesa direction or the reverse mesa direction. FIG. 7 is a diagram in which the total sum of the refractive index changes including the increase and decrease of the refractive index due to the Pockels effect is normalized in addition to the FK effect and the QCSE increase due to voltage application. From FIG. 7, in order to increase the refractive index change with applied voltage, that is, to obtain a high-efficiency modulation operation, the large refractive index change characteristic shown in [1] in FIG. 7 in which the FK effect, QCSE, and Pockels effect are combined. Need to be realized.
図8に一例として従来技術であるnpin形の半導体光変調器10の断面構造を示す。
図8に示すように、SI(半絶縁)―InP基板1上にはn−InGaAsコンタクト層2が配置され、コンタクト層2上には電極3が配置されている。そして、電極11a,11b、n−InGaAsコンタクト層12a,12b、n−InP層13a,13b、p−InAlAs層14a,14b、i−光閉じ込め層15a,15b、i―コア層16a,16b、i−光閉じ込め層17a,17b、n−InP層18a,18bを積層してなる半導体多層構造(光変調素子)が、基板1(コンタクト層2)上に備えられて、半導体光変調器10が構成されている。
FIG. 8 shows a cross-sectional structure of an npin type semiconductor optical modulator 10 which is a conventional technique as an example.
As shown in FIG. 8, an n-
pin形及びnpin形における高速な光変調動作にはコア層16a,16bに高電界がかかるよう逆方向バイアスを印加しておく必要があるため、この場合、電極11a及び電極11bには負のバイアス電圧を印加させる。すなわち[100]方向にバイアス電界が印加されることになりポッケルス効果による屈折率楕円変化は図6で示した通りとなる。一方で、印加電圧の増大に伴いFK効果及びQCSEに起因した屈折率変化は屈折率が高くなる方向へシフトするため、これらとポッケルス効果を相乗させ大きな屈折率変化(図7中の[1])を得るためには図6より、光変調素子(半導体多層構造)を順メサ方向に作製する必要がある。対して、逆メサ方向に作製した場合、FK効果及びQCSEによる屈折率変化の増減とポッケルス効果による増減の向きが反対となり、双方で屈折率変化を相殺し合う結果、光変調効率は低下する(図7中の[3])。
In high-speed optical modulation operations in the pin type and npin type, it is necessary to apply a reverse bias so that a high electric field is applied to the
素子の信頼性が高く求められるLDにおいては発光源となる活性層の周囲をクラッド層で埋め込んだ埋め込み型構造が多く用いられる。しかし、順メサ方向LD素子に対して埋め込み再成長を行おうとした場合、上面である(100)面以外の面に対しても再成長が進んでしまう結果、所望の埋め込み構造作製が困難となっている。一方、逆メサ方向LD素子に対しては(100)面への成長レートが支配的となるため所望の埋め込み構造を作製することができる。そのことから高信頼のLD素子は逆メサ方向に作製されることが多い。 In an LD that requires high element reliability, an embedded structure in which the periphery of an active layer serving as a light source is embedded with a cladding layer is often used. However, if an attempt is made to perform burying regrowth on the forward mesa direction LD element, the regrowth also proceeds on a surface other than the (100) surface, which is the upper surface, and it becomes difficult to produce a desired embedded structure. ing. On the other hand, since the growth rate to the (100) plane is dominant for the reverse mesa LD element, a desired buried structure can be manufactured. For this reason, highly reliable LD elements are often fabricated in the reverse mesa direction.
そこで例えば、順メサ方向に作製された高速大容量通信向け半導体光変調素子を、光集積素子として埋め込み型のLDと集積させる場合には、各々の素子をハイブリッド集積させる方法や、LD素子と光変調素子を直交に配置してモノリシック集積させる方法などが用いられてきた。 Therefore, for example, when a semiconductor optical modulation element for high-speed and large-capacity communication manufactured in the forward mesa direction is integrated with an embedded LD as an optical integrated element, a method of hybrid integration of each element, an LD element and an optical A method of monolithically integrating modulation elements arranged orthogonally has been used.
しかし、LD素子と光変調素子をハイブリッド集積させる場合には素子間における光結合損失の大きさが問題となることから、光変調素子前段に半導体光アンプ(SOA)などを設けて光損失の補てんを行う必要がある(例えば、特許文献2を参照。)。LD素子と光変調素子を直交に配置してモノリシック集積させる場合には直交配置によって素子全体の面積が不必要に大きくなり、素子量産性の観点からも多くの課題が残っていた。このような背景から、依然として高速大容量通信向け半導体光集積素子は小型かつ低コストに作製するには多くの問題がある。 However, when the LD element and the light modulation element are hybrid-integrated, the magnitude of the optical coupling loss between the elements becomes a problem. Therefore, a semiconductor optical amplifier (SOA) is provided in front of the light modulation element to compensate for the light loss. (For example, refer to Patent Document 2). When the LD element and the light modulation element are arranged orthogonally and monolithically integrated, the area of the entire element becomes unnecessarily large due to the orthogonal arrangement, and many problems remain from the viewpoint of element mass productivity. Against this background, there are still many problems in fabricating a semiconductor optical integrated device for high-speed and large-capacity communication in a small size and at low cost.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、LD素子と同じ逆メサ方向に高速変調動作可能なnip形又はnipn形の半導体光変調素子と、LD素子とをモノリシックに集積させることで高速大容量の半導体光集積素子を小型かつ低コストで提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and nip-type or nipn-type semiconductor optical modulation elements capable of high-speed modulation operation in the same reverse mesa direction as LD elements and LD elements are monolithically integrated. Accordingly, an object of the present invention is to provide a high-speed and large-capacity semiconductor optical integrated device in a small size and at a low cost.
上記課題を解決する本発明の半導体光集積素子の構成は、
閃亜鉛鉱形半絶縁性半導体結晶基板の(100)面と等価な基板面上に、上層から基板面に向かって順に少なくともn型クラッド層、i―コア層、p型クラッド層を含む半導体多層構造でなるMZ型光変調素子を備え、前記MZ型光変調素子の光変調導波路が前記基板の(100)面に対して[011]面方向である逆メサ方向に形成されると共に、前記基板上にレーザー素子が前記基板の(100)面に対して[011]面方向である逆メサ方向に搭載されていることを特徴とする。
The configuration of the semiconductor optical integrated device of the present invention that solves the above problems is as follows.
A semiconductor multilayer including at least an n-type cladding layer, an i-core layer, and a p-type cladding layer on a substrate surface equivalent to the (100) plane of a zinc blende semi-insulating semiconductor crystal substrate in order from the upper layer to the substrate surface An MZ type light modulation element having a structure, wherein the light modulation waveguide of the MZ type light modulation element is formed in a reverse mesa direction which is a [011] plane direction with respect to the (100) plane of the substrate, and A laser element is mounted on the substrate in a reverse mesa direction which is a [011] plane direction with respect to the (100) plane of the substrate.
また本発明の半導体光集積素子の構成は、
閃亜鉛鉱形半絶縁性半導体結晶基板の(100)面と等価な基板面上に、上層から基板面に向かって順に少なくともn型クラッド層、i―コア層、p型キャリアブロック層、n型クラッド層を含む半導体多層構造でなるMZ型光変調素子を備え、前記MZ型光変調素子の光変調導波路が前記基板の(100)面に対して[011]面方向である逆メサ方向に形成されると共に、前記基板上にレーザー素子が前記基板の(100)面に対して[011]面方向である逆メサ方向に搭載されていることを特徴とする。
The configuration of the semiconductor optical integrated device of the present invention is as follows.
On the substrate surface equivalent to the (100) plane of the zincblende semi-insulating semiconductor crystal substrate, at least an n-type cladding layer, an i-core layer, a p-type carrier block layer, and an n-type in order from the upper layer to the substrate surface An MZ type optical modulation element having a semiconductor multilayer structure including a cladding layer is provided, and the optical modulation waveguide of the MZ type optical modulation element is in a reverse mesa direction which is a [011] plane direction with respect to the (100) plane of the substrate In addition, the laser element is mounted on the substrate in a reverse mesa direction that is a [011] plane direction with respect to the (100) plane of the substrate.
また本発明の半導体光集積素子の構成は、
前記MZ型光変調素子には、上層から基板面に向かって逆バイアスの電界が印加され、前記MZ型光変調素子の信号電極には常に正の電圧が印加されるように、信号電圧の振幅よりも大きなオフセット電圧が印加されていることを特徴とする。
The configuration of the semiconductor optical integrated device of the present invention is as follows.
The MZ type optical modulation element is applied with a reverse bias electric field from the upper layer toward the substrate surface, and the amplitude of the signal voltage so that a positive voltage is always applied to the signal electrode of the MZ type optical modulation element. A larger offset voltage is applied.
結局、上記目的を達成するために、本発明に係る半導体光変調素子は、基板側に向かって上層からn-i-p又はn-i-p-nの順に積層させた半導体ウエハに対し、逆メサ方向に光変調素子の光変調導波路を作製する。さらに逆方向バイアスを印加すべく信号電極には正の電圧をバイアス電圧として用いることで、印加電圧増加に伴うFK効果、QCSE、及びポッケルス効果の屈折率増減の向きを等しくさせることとした。 Finally, in order to achieve the above object, the semiconductor light modulation device according to the present invention is a light modulation device in the reverse mesa direction with respect to a semiconductor wafer laminated in the order of nip or nipn from the upper layer toward the substrate side. A waveguide is produced. Further, a positive voltage is used as a bias voltage for the signal electrode in order to apply a reverse bias, so that the directions of the refractive index increase / decrease of the FK effect, QCSE, and Pockels effect accompanying the increase in the applied voltage are made equal.
通常、InP、GaAsなどの閃亜鉛鉱形結晶は電界を印加しない場合、結晶中の屈折率は結晶方位に依らず等方的(n0)であるのに対して(図中(1))、結晶中に電界が印加されると、その印加方向に応じた結晶特有の屈折率変化が生じる(図中(2))。TE偏波光を順メサ方向に伝搬させた場合、TE偏波光はポッケルス効果によって屈折率が小さくなった領域を伝搬することになる。一方、逆メサ方向にTE偏波光を伝搬させた場合はポッケルス効果によって屈折率増大した領域を伝搬することになる。すなわち図9の場合には、逆メサ方向に光変調素子の光変調導波路を作製することでFK効果、QCSEにポッケルス効果を相乗させた屈折率変化を得ることができる(図7中の[1])。 Normally, zinc-blende crystals such as InP and GaAs are isotropic (n 0 ) regardless of crystal orientation when no electric field is applied ((1) in the figure). When an electric field is applied to the crystal, a refractive index change peculiar to the crystal corresponding to the applied direction occurs ((2) in the figure). When TE polarized light is propagated in the forward mesa direction, the TE polarized light propagates in a region where the refractive index is reduced by the Pockels effect. On the other hand, when TE polarized light is propagated in the reverse mesa direction, it propagates in a region where the refractive index is increased by the Pockels effect. That is, in the case of FIG. 9, the refractive index change in which the FK effect and the QCSE are combined with the Pockels effect can be obtained by producing the light modulation waveguide of the light modulation element in the reverse mesa direction ([[ 1]).
本発明によれば、従来から高速高効率光変調器として用いられてきたnpin形及びpin形光変調器と同特性の半導体光変調素子を逆メサ方向にも作製することが可能となる。これにより、逆メサ方向に作製されるLDと半導体光変調素子とをモノリシック集積して小型で高速大容量の半導体光集積素子を低損失かつ量産的に作製することができる。 According to the present invention, it is possible to produce semiconductor optical modulation elements having the same characteristics as those of npin type and pin type optical modulators conventionally used as high-speed and high-efficiency optical modulators in the reverse mesa direction. As a result, a small, high-speed and large-capacity semiconductor optical integrated device can be manufactured with low loss and mass production by monolithically integrating the LD manufactured in the reverse mesa direction and the semiconductor optical modulation device.
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すとする。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In addition, in this specification and drawing, the component with the same code | symbol shall show the mutually same thing.
図1(a)は、参考例1の半導体光変調素子100の上面図であり、図1(b)はその変調領域における断面図である。
図1(a),(b)に示すように、SI(半絶縁)―InP基板101上にはn―バッファ層102が配置され、バッファ層102上にはp−InGaAsコンタクト層103が配置され、コンタクト層103上には電極104が配置されている。そして、上層から基板面に向かって、電極111a,111b、n−InGaAsコンタクト層112a,112b、n−InP層113a,113b、i−光閉じ込め層114a,114b、i―コア層115a,115b、i−光閉じ込め層116a,116b、p−InP層117a,117bを積層してなる半導体多層構造(光変調素子)が、基板101(コンタクト層103)上に備えられて、参考例1に係る半導体光変調素子100が構成されている。
このように本例では、上層から基板面に向かってnipの順に積層した半導体多層構造(光変調素子)を備えており、しかも、光変調素子の光変調導波路が逆メサ方向に形成されている。
なお、120は光導波路、121はMMIカプラである。
FIG. 1A is a top view of the semiconductor
As shown in FIGS. 1A and 1B, an n-buffer layer 102 is disposed on an SI (semi-insulating) -
As described above, in this example, the semiconductor multilayer structure (light modulation element) is stacked in the nip order from the upper layer toward the substrate surface, and the light modulation waveguide of the light modulation element is formed in the reverse mesa direction. Yes.
Reference numeral 120 denotes an optical waveguide, and 121 denotes an MMI coupler.
結晶成長は、結晶再成長プロセスに適した有機金属気相成長(MOVPE)法によって行い、基板結晶は(100)面方位基板を用いる。光変調領域におけるコア層115a、115bはノンドープ層であり、動作光波長で電気光学効果が有効に作用しかつ光吸収が問題とならないようにコア層115a、115bのバンドギャップ波長や構造を決定している。例えば、1.55μm帯のデバイスとする場合には、量子井戸層とバリア層にはInGaAlAs、InAlAsといったバンドギャップの異なる半導体材料を用いるが、材料はInGaAlAs、InAlAsに限定されず、例えば、量子井戸層、バリア層にInGaAlAs、InGaAs、InGaAsP、InPなどを用いてもよい。
Crystal growth is performed by a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) method suitable for a crystal regrowth process, and a (100) plane orientation substrate is used as a substrate crystal. The core layers 115a and 115b in the light modulation region are non-doped layers, and the band gap wavelengths and structures of the
光変調領域におけるコア層115a、115bの上面と下面には、光吸収で発生したキャリアがヘテロ界面でトラップされないようにするために、コア層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する、InGaAsPなどの組成の光閉じ込め層114a,116a,114b,116bが設けられている。光閉じ込め層114a,114bの上面には例えばn型InPクラッド層113a,113b、信号電極コンタクト用のn型InGaAs112a,112b、及び光閉じ込め層116a,116bの下面には、例えば接地電極コンタクト用のp型InGaAs103、p型InPクラッド層117a,117bが順次積層されている。
これらの層のドーピング濃度は、ノンドープ層で効率良く電圧降下が生じるようにn型及びp型InPクラッド層が5×1017cm-3以上及び、十分なオーミック接触が得られるように電極コンタクト用のn型及びp型InGaAs電極コンタクト層が1×1019cm-3以上とすることが望ましい。例えば、n型及びp型InPクラッド層のドーピング濃度を1×1018cm-3とし、n型及びp型InGaAs電極コンタクト層のドーピング濃度をそれぞれ2×1018cm-3及び1×1019cm-3とする。また、半絶縁性InP基板とp型InGaAs層の間にはバッファ層として、例えばn型InP層を積層する。
なお、電極コンタクト用に積層される層は十分な伝導性が確保できれば問題ないため、n型及びp型の不純物がドーピングされる半導体は上記InGaAsに限定されず例えば、InGaAsPなどを用いてもよい。
The upper and lower surfaces of the
The doping concentration of these layers is 5 × 10 17 cm −3 or more for the n-type and p-type InP cladding layers so that a voltage drop is efficiently generated in the non-doped layer, and for electrode contact so that sufficient ohmic contact can be obtained. It is desirable that the n-type and p-type InGaAs electrode contact layers be 1 × 10 19 cm −3 or more. For example, the doping concentration of the n-type and p-type InP cladding layers is 1 × 10 18 cm −3, and the doping concentration of the n-type and p-type InGaAs electrode contact layers is 2 × 10 18 cm −3 and 1 × 10 19 cm, respectively. -3 . Further, for example, an n-type InP layer is stacked as a buffer layer between the semi-insulating InP substrate and the p-type InGaAs layer.
It should be noted that the layer laminated for the electrode contact is not a problem as long as sufficient conductivity can be ensured. Therefore, the semiconductor doped with n-type and p-type impurities is not limited to InGaAs, and for example, InGaAsP may be used. .
上記n-i-p層を堆積後、半導体光変調素子を光導波路として機能させるべく、逆メサ方向に導波路形状が模られた、例えばSiO2マスクを用いてドライエッチングによりp型InGaAs電極コンタクト層103が露出するまで加工し、メサ構造を作製する。これにより、光変調素子の光変調導波路が、逆メサ方向に形成される。またその際、電圧印加に寄与しない領域においてはp型InGaAs電極コンタクト層103を含めてドライエッチング加工により除去し、半絶縁性InP基板101を露出させる。SiO2マスクを除去後、図1(b)に示す通りp型、n型InGaAs電極コンタクト層103上に例えばTiを介したAu電極104を形成する。
なお、半導体光変調素子100に用いられる信号電極は進行波型電極構造であることが望ましいが、この他にも例えば集中定数型及び共振型の電極構造でもよい。
After depositing the nip layer, the p-type InGaAs
Note that the signal electrode used in the semiconductor
なお、光電子導波路(光変調導波路)として機能させるためには、図1(b)に示したような断面のメサ構造を含む、例えば2つのMMIカプラを搭載した図1(a)に示すマッハ・ツェンダ(MZ)導波路構造とし、その逆メサ方向に形成された導波路に光を伝搬させた状態で電極111a、電極111bに逆バイアス電圧、及び信号電圧を入力する。即ち、基板101(コンタクト層103)上に、マッハ・ツェンダ(MZ)型の光導波路120及びMMIカプラ121を備え、光導波路120に光変調素子を接続し、逆バイアス電圧を印加する。なおノンドープ層に対して高電界をかけるには逆バイアス方向への電圧印加が必要である。n-i-p層構造の場合には図1(b)中の矢印に示した通り、基板側下方に向かってバイアス電圧を印加させることが逆バイアス電圧に対応する。また、仮に変調信号の印加時に順バイアス方向(図1(b)中の[100]方向)へ電圧が印加されてしまうと所望の電圧降下が起こらないのみでなく、ノンドープ層に対してキャリアが注入されてしまうため、そもそも光変調素子としての機能を果たさなくなる(図2(a))。そこで信号電圧の振幅によって順バイアス方向へ電界が生じるのを防ぐために、それよりも大きな逆バイアスによって変調動作点をシフトさせて、常に逆バイアスへの電界が印加された状態で変調を行う(図2(b))。例えば信号電圧の振幅を±2Vで駆動させた場合、逆バイアス電圧は2V以上印加させることになる。
また、低消費動作及び変調チャーピング抑制のためにMZ光変調素子においてはプッシュ・プル駆動の変調動作が求められる。そのため変調信号としては同一強度かつ電界変位方向が真逆の信号電圧を同タイミングで電極101a及び電極101bにそれぞれ入力させる。
なお、MZ導波路構造を有さない、例えば位相変調素子として直線導波路構造のみからなる場合においても本参考例の有用性があることは明らかである。
In order to function as an optoelectronic waveguide (light modulation waveguide), for example, as shown in FIG. 1A including two MMI couplers including a mesa structure having a cross section as shown in FIG. A Mach-Zehnder (MZ) waveguide structure is used, and a reverse bias voltage and a signal voltage are input to the
Further, in order to reduce the power consumption and suppress the modulation chirping, the MZ optical modulation element is required to perform a push-pull drive modulation operation. For this reason, as modulation signals, signal voltages having the same intensity and the opposite direction of the electric field displacement are input to the electrodes 101a and 101b at the same timing.
In addition, it is clear that the present reference example is useful even when it does not have an MZ waveguide structure, for example, only a linear waveguide structure is used as a phase modulation element.
このように本発明によれば、逆バイアスとして電界が基板下方向へ印加されるため逆メサ方位に作製された光変調素子に対してもFK効果及びQCSEに加えてポッケルス効果を相乗させることができるため、図7中の[1]に示す大きな屈折率変化及び良好な変調特性を得ることができる。 As described above, according to the present invention, since the electric field is applied as the reverse bias downward, the Pockels effect can be combined with the light modulation element manufactured in the reverse mesa direction in addition to the FK effect and the QCSE. Therefore, it is possible to obtain a large refractive index change and good modulation characteristics shown in [1] in FIG.
ここで基板材料はInP以外にも同構造を有する、例えばGaAs、GaP、ZnS、ZnSeを用いた場合においてもその有用性は変わらないことは明らかである。
なお、本参考例においては、1.55μm波長帯に対応する半導体光変調素子を用いたが1.3μm波長帯に対応するものを用いてもよい。
また例えばGaAsを用いれば0.6〜1.3μm波長帯にも対応できる。
Here, it is clear that the usefulness of the substrate material does not change even when GaAs, GaP, ZnS, ZnSe, for example, has the same structure other than InP.
In this reference example , the semiconductor light modulation element corresponding to the 1.55 μm wavelength band is used, but the element corresponding to the 1.3 μm wavelength band may be used.
For example, if GaAs is used, it can respond to a wavelength range of 0.6 to 1.3 μm.
光の伝搬損失低減などを目指して、参考例1で記した光変調領域における半導体層をn-i-p構造からn-i-p-n構造に変更した、参考例2に係る半導体光変調素子100aについて説明する。図3(a)は、本参考例の半導体光変調素子100aにおける上面図、及び図3(b)は光変調領域の断面図である。
図3(a),(b)に示すように、SI(半絶縁)―InP基板101上には、n−InGaAsコンタクト層105が配置され、コンタクト層105上には電極104が配置されている。そして、上層から基板面に向かって、電極111a,111b、n−InGaAsコンタクト層112a,112b、n−InP層113a,113b、i−光閉じ込め層114a,114b、i―コア層115a,115b、i−光閉じ込め層116a,116B、p−InAlAs層121a,121b、n−InP層122a,122bを積層してなる半導体多層構造(光変調素子)が、基板101(コンタクト層105)上に備えられて、参考例2に係る半導体光変調素子100aが構成されている。
このように本例では、上層から基板面に向かってnipnの順に積層した半導体多層構造(光変調素子)を備えており、しかも、光変調素子の光変調導波路が逆メサ方向に形成されている。
なお、120は光導波路、121はMMIカプラである。
ここで参考例1におけるノンドープのコア層、光閉じ込め層の構成条件は同様であるため、以下では光変調領域におけるドーピング層の構造について説明する。
A semiconductor light modulation device 100a according to Reference Example 2 will be described in which the semiconductor layer in the light modulation region described in Reference Example 1 is changed from the nip structure to the nipn structure with the aim of reducing light propagation loss. FIG. 3A is a top view of the semiconductor light modulation device 100a of this reference example , and FIG. 3B is a cross-sectional view of the light modulation region.
As shown in FIGS. 3A and 3B, an n-
As described above, in this example, the semiconductor multilayer structure (light modulation element) is stacked in the order of nipn from the upper layer toward the substrate surface, and the light modulation waveguide of the light modulation element is formed in the reverse mesa direction. Yes.
Reference numeral 120 denotes an optical waveguide, and 121 denotes an MMI coupler.
Here, since the configuration conditions of the non-doped core layer and the light confinement layer in Reference Example 1 are the same, the structure of the doping layer in the light modulation region will be described below.
光閉じ込め層114a,114bの上面には例えばn型InPクラッド層113a,113bとn型InGaAs信号電極コンタクト層112a,112bを順次積層させる。また光閉じ込め層116a,116bの下面には、例えばn型InGaAs接地電極コンタクト層105、n型InPクラッド層122a,122b、及びp型InAlAsキャリアブロック層121a,121bを順次積層させることで、動作状態で使用する印加電圧範囲において、p型InAlAs の全領域及びn型InP の一部領域又は全領域を空乏化させる。
このような空乏化領域のバンドのポテンシャル変化が十分に大きくなる様、すなわち、電子に対する充分なポテンシャルバリアが誘起されるべく、これらの層のドーピング濃度プロファイル及びp型InAlAsの膜厚が決定される。これらの層のドーピング濃度は、n型層が2×1017cm-3以上であり、p型層が1×1018cm-3以上とすることが望ましい。例えば、n型層のドーピング濃度を5×1017cm-3とし、p型層のドーピング濃度を1×1018cm-3、及び膜厚を50 nmとする。
また、キャリアブロック層として機能させるためのp型層はInAlAsに限定されず、例えばInGaAlAsやInPなどでもよい。
なお、電極コンタクト用に積層される層は十分な伝導性が確保できれば問題ないため、n型の不純物がドーピングされる半導体は上記InGaAsに限定されず例えば、InGaAsPなどを用いてもよい。
For example, n-type
The doping concentration profile of these layers and the thickness of p-type InAlAs are determined so that the potential change of the band in such a depletion region becomes sufficiently large, that is, to induce a sufficient potential barrier against electrons. . The doping concentration of these layers is preferably 2 × 10 17 cm −3 or more for the n-type layer and 1 × 10 18 cm −3 or more for the p-type layer. For example, the doping concentration of the n-type layer is 5 × 10 17 cm −3 , the doping concentration of the p-type layer is 1 × 10 18 cm −3 , and the film thickness is 50 nm.
Further, the p-type layer for functioning as a carrier block layer is not limited to InAlAs, and may be InGaAlAs, InP, or the like, for example.
Note that a layer stacked for electrode contact is not a problem as long as sufficient conductivity can be ensured. Therefore, a semiconductor doped with an n-type impurity is not limited to InGaAs, and for example, InGaAsP may be used.
上記n-i-p-n層を堆積後、半導体光変調素子を光導波路として機能させるべく、逆メサ方向に導波路形状が模られた、例えばSiO2マスクを用いてドライエッチングによりn型InGaAs電極コンタクト層105が露出するまで加工し、メサ構造を作製する。これにより、光変調素子の光変調導波路が、逆メサ方向に形成される。またその際、電圧印加に寄与しない領域においてはn型InGaAs電極コンタクト層105を含めてドライエッチング加工により除去し、半絶縁性InP基板101を露出させる。SiO2マスクを除去後、図3(b)に示す通りn型InGaAs電極コンタクト層105上に例えばTiを介したAu電極104を形成する。
なお、半導体光変調素子100aに用いられる信号電極は進行波型電極構造であることが望ましいが、この他にも例えば集中定数型及び共振型の電極構造でもよい。
After the nnip layer is deposited, the n-type InGaAs
Note that the signal electrode used in the semiconductor light modulation device 100a preferably has a traveling-wave electrode structure, but other than this, for example, a lumped constant type and a resonance type electrode structure may be used.
なお、光電子導波路(光変調導波路)として機能させるためには、図3(b)に示したような断面のメサ構造を含む、例えば2つのMMIカプラを搭載した図3(a)に示すマッハ・ツェンダ(MZ)導波路構造とし、その逆メサ方向に形成された導波路に光を伝搬させた状態で電極111a、電極111bに逆バイアス電圧、及び信号電圧を入力する。即ち、基板101(コンタクト層105)上に、マッハ・ツェンダ(MZ)型の光導波路120及びMMIカプラ121を備え、光導波路120に光変調素子を接続し、逆バイアス電圧を印加する。なおノンドープ層に対して高電界をかけるには逆バイアス方向への電圧印加が必要である。n-i-p-n層構造の場合には図3(b)中の矢印に示した通り、基板側下方に向かってバイアス電圧を印加させることが逆バイアス電圧に対応する。また、仮に順バイアス方向(図3(b)中の[100]方向)へ電圧が印加されてしまうと所望の電圧降下が起こらないため、そもそも光変調素子としての機能を果たさなくなる(図2(a))。そこで信号電圧の振幅によって順バイアス方向へ電界が生じるのを防ぐために、それよりも大きな逆バイアスによって変調動作点をシフトさせて、常に逆バイアスへの電界が印加された状態で変調を行う(図2(b))。例えば信号電圧の振幅を±2Vで駆動させた場合、逆バイアス電圧は2V以上印加させることになる。
また、低消費動作及び変調チャーピング抑制のためにMZ光変調素子においてはプッシュ・プル駆動の変調動作が求められる。そのため変調信号としては同一強度かつ電界変位方向が真逆の信号電圧を同タイミングで電極111a及び電極111bにそれぞれ入力させる。
なお、MZ導波路構造を有さない、例えば位相変調素子として直線導波路構造のみからなる場合においても本参考例の有用性があることは明らかである。
In order to function as an optoelectronic waveguide (light modulation waveguide), for example, as shown in FIG. 3A including two MMI couplers including a mesa structure having a cross section as shown in FIG. A Mach-Zehnder (MZ) waveguide structure is used, and a reverse bias voltage and a signal voltage are input to the
Further, in order to reduce the power consumption and suppress the modulation chirping, the MZ optical modulation element is required to perform a push-pull drive modulation operation. Therefore, a signal voltage having the same intensity and the opposite direction of the electric field displacement is input to the
In addition, it is clear that the present reference example is useful even when it does not have an MZ waveguide structure, for example, only a linear waveguide structure is used as a phase modulation element.
このように本参考例によれば、逆バイアスとして電界が基板下方向へ印加されるため逆メサ方位に作製された変調素子に対してもFK効果及びQCSEに加えてポッケルス効果を相乗させることができるため、図7中の[1]に示す大きな屈折率変化及び良好な変調特性を得ることができる。さらに参考例1に示したn-i-p層構造の半導体光変調素子と比べて、光導波路内を伝搬する光の損失が低減されるため、変調素子長をより長く作製することができる。そのため例えば信号電極として進行波型電極を用いることで、高速動作においても良好な変調特性を得ることができる。 As described above, according to this reference example , since an electric field is applied as a reverse bias in the downward direction of the substrate, the Pockels effect can be synergized in addition to the FK effect and the QCSE even for a modulation element manufactured in the reverse mesa direction. Therefore, it is possible to obtain a large refractive index change and good modulation characteristics shown in [1] in FIG. Furthermore, since the loss of light propagating in the optical waveguide is reduced as compared with the semiconductor optical modulation element having the nip layer structure shown in Reference Example 1 , the modulation element length can be made longer. Therefore, for example, by using a traveling wave type electrode as a signal electrode, a good modulation characteristic can be obtained even at high speed operation.
ここで基板材料はInP以外にも同構造を有する、例えばGaAs、GaP、ZnS、ZnSeを用いた場合においてもその有用性は変わらないことは明らかである。
なお、本参考例においては、1.55μm波長帯に対応する半導体光変調素子を用いたが1.3μm波長帯に対応するものを用いてもよい。
また例えばGaAsを用いれば0.6〜1.3μm波長帯にも対応できる。
Here, it is clear that the usefulness of the substrate material does not change even when GaAs, GaP, ZnS, ZnSe, for example, has the same structure other than InP.
In this reference example , the semiconductor light modulation element corresponding to the 1.55 μm wavelength band is used, but the element corresponding to the 1.3 μm wavelength band may be used.
For example, if GaAs is used, it can respond to a wavelength range of 0.6 to 1.3 μm.
図4(a)は、本実施形態の半導体光集積素子200の上面図である。結晶成長は、結晶再成長プロセスに適した有機金属気相成長(MOVPE)法によって行い、基板結晶は(100)面方位基板を用いる。図4(b)は参考例1の半導体光変調素子100と集積されるLD領域150の断面図である。半導体基板101は、光変調に用いられる高周波回路設計の観点から望ましくは半絶縁性のInP基板を用いて作製を行う。
FIG. 4A is a top view of the semiconductor optical integrated device 200 of this embodiment. Crystal growth is performed by a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) method suitable for a crystal regrowth process, and a (100) plane orientation substrate is used as a substrate crystal. 4B is a cross-sectional view of the
実施例1の半導体光集積素子200は、SI−InP基板101上に、参考例1の半導体多層構造(光変調素子)を備え、しかも、この光変調素子の光導波路とレーザー素子を逆メサ方向に形成したモノリシック集積素子である。つまり、半導体光集積素子200のMZ型光変調領域130は、参考例1の半導体光変調素子100と同構成になっている。
LD領域150では、基板101上にn−InGaAsコンタクト層158を配置し、この基板101(コンタクト層158)上に、電極151,p−InGaAsコンタクト層152,p−InP層153,i―光閉じ込め層154,i―活性層155,i―光閉じ込め層156,n−InP層157を積層してなる半導体多層構造が備えられている。
The semiconductor optical integrated device 200 of Example 1, on the SI-
In the
LD領域150における活性層155は多重量子井戸構造を有し、量子井戸層及びバリア層として例えば、ノンドープのInGaAsP及びInPをそれぞれ用いる。その上下には活性層155とクラッドの大よそ中間のバンドギャップに対応した光閉じ込め層154,156をそれぞれ積層する。また光閉じ込め領域に回折構造を設けることで所望の単一波長で発振可能な分布帰還形LDを作製する。光閉じ込め層154の上面にはp型InPクラッド層153、p型InGaAs電極コンタクト層152が順次積層されており、また下面にはn型InGaAs電極コンタクト層158、 n型InPクラッド層157が順次積層されたp-i-n構造を作製する(例えば特許文献3を参照。)。なおLDの発振波長は1.55μmである。
The active layer 155 in the
上記p-i-n層構造を作製後、光変調素子が作製される領域を模ったSiO2マスクを用いて例えば誘導結合プラズマ(ICP)ドライエッチングにより積層された結晶層を除去した後、参考例1と同条件のn-i-p層構造を結晶再成長により積層する。 After producing the pin layer structure, after the optical modulation element to remove crystal layer deposited by, for example, inductively coupled plasma (ICP) dry etching using an SiO 2 mask was having an area made, as in Reference Example 1 A nip layer structure with the same conditions is laminated by crystal regrowth.
LD領域150におけるp-i-n層及び光変調領域130におけるn-i-p層を堆積後、LD素子及び光変調素子を光導波路として機能させるべく、逆メサ方向に導波路形状が模られた、例えばSiO2マスクを用いてドライエッチングによりn型及びp型InGaAs電極コンタクト層103,158が露出するまで加工し、メサ構造を作製する。これにより逆メサ方向に光変調導波路が形成される。またその際、電圧印加に寄与しない領域においてはn型及びp型InGaAs電極コンタクト層103,158を含めてドライエッチング加工により除去し、半絶縁性InP基板101を露出させる。
その後、LD素子に対しては結晶再成長によりメサ構造の両側を半絶縁性InPで埋め込み、再度、所望の電極コンタクト領域をSiO2マスクで模り、ドライエッチング加工を施して図4(b)に示したようなn型InGaAs電極コンタクト層158を露出させる。
そして、LD領域150及び光変調領域130のp型、n型InGaAs電極コンタクト層158,103上に例えばTiを介したAu電極159,104を形成する。
なお、半導体光変調素子に用いられる信号電極は進行波型電極構造であることが望ましいが、この他にも例えば集中定数型及び共振型の電極構造でもよい。
After the pin layer in the
Thereafter, for the LD element, both sides of the mesa structure are filled with semi-insulating InP by crystal re-growth, and again a desired electrode contact region is imitated with a SiO 2 mask, and dry etching is performed, and FIG. The n-type InGaAs
Then,
The signal electrode used in the semiconductor light modulation element preferably has a traveling wave type electrode structure. However, for example, a lumped constant type and a resonance type electrode structure may be used.
なお、光電子導波路(光変調導波路)として機能させるためには、図1(b)に示したような断面のメサ構造を含む、例えば2つのMMIカプラを搭載した図4(a)に示すマッハ・ツェンダ(MZ)導波路構造とし、図4(b)に示す、同じ逆メサ方向LD素子から発振された光を伝搬させた状態で電極111a、電極111bに逆バイアス電圧、及び信号電圧を入力する。ここでLDの注入電流値は50mAである。なおノンドープ層に対して高電界をかけるには逆バイアス方向への電圧印加が必要である。n-i-p層構造の場合には図1(b)中の矢印に示した通り、基板側下方に向かってバイアス電圧を印加させることが逆バイアス電圧に対応する。また、仮に順バイアス方向(図1(b)中の[100]方向)へ電圧が印加されてしまうと所望の電圧降下が起こらないのみでなく、ノンドープ層に対してキャリアが注入されてしまうため、そもそも光変調素子としての機能を果たさなくなる(図2(a))。そこで信号電圧の振幅によって順バイアス方向へ電界が生じるのを防ぐために、それよりも大きな逆バイアスによって変調動作点をシフトさせて、常に逆バイアスへの電界が印加された状態で変調を行う(図2(b))。例えば信号電圧の振幅を±2Vで駆動させた場合、逆バイアス電圧は2V以上印加させることになる。
また、低消費動作及び変調チャーピング抑制のためにMZ光変調素子においてはプッシュ・プル駆動の変調動作が求められる。そのため変調信号としては同一強度かつ電界変位方向が真逆の信号電圧を同タイミングで電極A及び電極Bにそれぞれ入力させる。
なお、MZ導波路構造を有さない、例えば位相変調素子として直線導波路構造のみからなる場合においても本実施例の有用性があることは明らかである。
In order to function as an optoelectronic waveguide (light modulation waveguide), for example, as shown in FIG. 4A including two MMI couplers including a mesa structure having a cross section as shown in FIG. With a Mach-Zehnder (MZ) waveguide structure, a reverse bias voltage and a signal voltage are applied to the
Further, in order to reduce the power consumption and suppress the modulation chirping, the MZ optical modulation element is required to perform a push-pull drive modulation operation. Therefore, as the modulation signal, signal voltages having the same intensity and the opposite direction of the electric field displacement are input to the electrodes A and B at the same timing.
It is obvious that the present embodiment is useful even in the case where the MZ waveguide structure is not provided, for example, only a linear waveguide structure is used as the phase modulation element.
このように本発明によれば、参考例1で示した半導体光変調素子100と同じ逆メサ方向にLD素子を小型かつモノリシックに集積させることができるため、LD素子と半導体光変調素子間の光結合損失、直交配置による不必要な基板面積の消費などの問題を解決することができる。その結果として、例えば、大容量通信で不可欠とされるMZ光変調素子とLD素子とを搭載した半導体光集積素子を小型かつ、量産的に作製することが可能となる。
As described above, according to the present invention, since LD elements can be integrated in a small and monolithic manner in the same reverse mesa direction as the semiconductor
ここで基板材料はInP以外にも同構造を有する、例えばGaAs、GaP、ZnS、ZnSeを用いた場合においてもその有用性は変わらないことは明らかである。
なお、本実施例においては、1.55μm波長帯に対応する半導体光変調素子を用いたが1.3μm波長帯に対応するものを用いてもよい。
また例えばGaAsを用いれば0.6〜1.3μm波長帯にも対応できる。
Here, it is clear that the usefulness of the substrate material does not change even when GaAs, GaP, ZnS, ZnSe, for example, has the same structure other than InP.
In the present embodiment, the semiconductor optical modulation element corresponding to the 1.55 μm wavelength band is used, but one corresponding to the 1.3 μm wavelength band may be used.
For example, if GaAs is used, it can respond to a wavelength range of 0.6 to 1.3 μm.
実施例1で記した半導体光集積素子に対し、更なる光の伝搬損失低減、高速変調動作などを目的として本実施例では、参考例2で記したn-i-p-n層構造の半導体光変調素子を具備した半導体光集積素子200aについて図5を参照して説明する。結晶成長は、結晶再成長プロセスに適した有機金属気相成長(MOVPE)法によって行い、基板結晶は(100)面方位基板を用いる。半導体基板はn型ドープのInP基板又は半絶縁性(Semi-Insulating)のInP基板を用いることができるが、光変調に用いられる高周波回路設計の観点から望ましくは半絶縁性InP基板を用いて作製を行う。 The semiconductor optical integrated device described in Example 1 is provided with the semiconductor optical modulator of the nipn layer structure described in Reference Example 2 for the purpose of further reducing light propagation loss and high-speed modulation operation. The semiconductor optical integrated device 200a will be described with reference to FIG. Crystal growth is performed by a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) method suitable for a crystal regrowth process, and a (100) plane orientation substrate is used as a substrate crystal. As the semiconductor substrate, an n-type doped InP substrate or a semi-insulating InP substrate can be used. From the viewpoint of designing a high-frequency circuit used for optical modulation, a semi-insulating InP substrate is preferably used. I do.
実施例2の半導体光集積素子200aは、SI−InP基板101上に、参考例2の半導体多層構造(光変調素子)を備え、しかも、この光変調素子の光導波路とレーザー素子を逆メサ方向に形成したモノリシック集積素子である。つまり、半導体光集積素子200aのMZ型光変調領域130aは、参考例2の半導体光変調素子100aと同構成になっている。
LD領域150では、実施例1と同様に、基板101上にn−InGaAsコンタクト層158を配置し、この基板101(コンタクト層158)上に、電極151,p−InGaAsコンタクト層152,p−InP層153,i―光閉じ込め層154,i―活性層155,i―光閉じ込め層156,n−InP層157を積層してなる半導体多層構造が備えられている。
The semiconductor optical integrated device 200a of the second embodiment, on the SI-
In the
LD領域150における活性層155は多重量子井戸構造を有し、量子井戸層及びバリア層として例えば、ノンドープのInGaAsP及びInPをそれぞれ用いる。その上下には活性層155とクラッドの大よそ中間のバンドギャップに対応した光閉じ込め層154,156をそれぞれ積層する。また光閉じ込め領域に回折構造を設けることで所望の単一波長で発振可能な分布帰還形LDを作製する。光閉じ込め層154の上面にはp型InPクラッド層153、p型InGaAs電極コンタクト層152が順次積層されており、また下面にはn型InGaAs電極コンタクト層158、 n型InPクラッド層157が順次積層されたp-i-n構造を作製する(例えば特許文献3を参照。)。
The active layer 155 in the
上記p-i-n層構造を作製後、光変調素子が作製される領域を模ったSiO2マスクを用いて例えば誘導結合プラズマ(ICP)ドライエッチングにより積層された結晶層を除去した後、参考例2と同条件のn-i-p-n層構造を結晶再成長により積層する。 After producing the pin layer structure, after the optical modulation element has with SiO 2 mask was having an area made remove crystal layer deposited by an inductively coupled plasma (ICP) dry etching for example, as in Reference Example 2 A nipn layer structure with the same conditions is stacked by crystal regrowth.
LD領域150におけるp-i-n層及び光変調領域130aにおけるn-i-p-n層を堆積後、LD素子及び光変調素子を光導波路として機能させるべく、逆メサ方向に導波路形状が模られた、例えばSiO2マスクを用いてドライエッチングによりn型InGaAs電極コンタクト層105,158が露出するまで加工し、メサ構造を作製する。これにより逆メサ方向に光変調導波路が形成される。またその際、電圧印加に寄与しない領域においてはn型InGaAs電極コンタクト層105,158を含めてドライエッチング加工により除去し、半絶縁性InP基板101を露出させる。なお、光伝搬損失の小さいn-i-p-n層を具備した光変調素子においては低消費駆動を実現すべくその素子長を長尺化させることが容易であるため、例えば素子長を5mm以上にして低消費駆動化を図る。なお、素子長が5mm以下の場合においても本実施例に有用性があることは明らかである。
その後、LD素子に対しては結晶再成長によりメサ構造の両側を半絶縁性InPで埋め込み、再度ドライエッチング加工を施してn型InGaAs電極コンタクト層を露出させる。
そして、LD領域150及び光変調領域130aのn型InGaAs電極コンタクト層158,105上に例えばTiを介したAu電極159,104を形成する。
なお、半導体光変調素子に用いられる信号電極は進行波型電極構造であることが望ましいが、この他にも例えば集中定数型及び共振型の電極構造でもよい。
After deposition of the nipn layer in pin layer and the light modulation region 130a in the
Thereafter, both sides of the mesa structure are filled with semi-insulating InP by crystal regrowth for the LD element, and dry etching is performed again to expose the n-type InGaAs electrode contact layer.
Then,
The signal electrode used in the semiconductor light modulation element preferably has a traveling wave type electrode structure. However, for example, a lumped constant type and a resonance type electrode structure may be used.
なお、光電子導波路(光変調導波路)として機能させるためには、図3(b)に示したような断面のメサ構造を含む、例えば2つのMMIカプラを搭載した図4(a)に示すマッハ・ツェンダ導波路構造とし、図4(c)に示す、同じ逆メサ方向LD素子から発振された光を伝搬させた状態で電極111a、電極111bに逆バイアス電圧、及び信号電圧を入力する。ここでLDの注入電流値は50mAである。なおノンドープ層に対して高電界をかけるには逆バイアス方向への電圧印加が必要である。n-i-p-n層構造の場合には図3(b)に示した通り基板側下方に向かってバイアス電圧を印加させることが逆バイアス電圧に対応している。仮に順バイアス方向(図3(b)中の[100]方向)へ電圧が印加されてしまうと所望の電圧降下が起こらないため、そもそも光変調素子としての機能を果たさなくなる(図2(a))。そこで信号電圧の振幅によって順バイアス方向へ電界が生じるのを防ぐために、それよりも大きな逆バイアスによって変調動作点をシフトさせて、常に逆バイアスへの電界が印加された状態で変調を行う(図2(b))。例えば信号電圧の振幅を±2Vで駆動させた場合、逆バイアス電圧は2V以上印加させることになる。
また、低消費動作及び変調チャーピング抑制のためにMZ光変調素子においてはプッシュ・プル駆動の変調動作が求められる。そのため変調信号としては同一強度かつ電界変位方向が真逆の信号電圧を同タイミングで電極111a及び電極111bにそれぞれ入力させる。
なお、マッハ・ツェンダ導波路構造を有さない、例えば位相変調素子として直線導波路構造のみからなる場合においてもその有用性があることは明らかである。
In order to function as a photoelectron waveguide (light modulation waveguide), for example, as shown in FIG. 4A including two MMI couplers including a mesa structure having a cross section as shown in FIG. With a Mach-Zehnder waveguide structure, reverse bias voltage and signal voltage are input to the
Further, in order to reduce the power consumption and suppress the modulation chirping, the MZ optical modulation element is required to perform a push-pull drive modulation operation. Therefore, a signal voltage having the same intensity and the opposite direction of the electric field displacement is input to the
It is obvious that the present invention is useful even when the phase modulation element has only a linear waveguide structure without having a Mach-Zehnder waveguide structure.
このように本発明によれば、参考例2で示した半導体光変調素子100aと同じ逆メサ方向にLD素子を小型かつモノリシックに集積させることができるため、LD素子と半導体光変調素子間の光結合損失、直交配置による不必要な基板面積の消費などの問題を解決することができる。
さらに実施例1で記したn-i-p層構造の半導体光変調素子を具備した光集積素子において課題とされた半導体光変調素子の長尺化も可能となることから、例えば信号電極として進行波型電極を用いることで、さらに高速動作においても良好な変調特性を得ることができる。その結果として、例えば、従来LN外部変調器が担っていたテラビット級の巨大容量伝送用トランスミッタを半導体光集積素子においてもより小型且つ量産的に作製することが可能となる。
As described above, according to the present invention, the LD elements can be integrated in a small and monolithic manner in the same reverse mesa direction as the semiconductor optical modulation element 100a shown in the reference example 2 , so that the light between the LD element and the semiconductor optical modulation element can be integrated. Problems such as coupling loss and unnecessary substrate area consumption due to orthogonal arrangement can be solved.
Further, since it is possible to lengthen the semiconductor optical modulation element, which is a problem in the optical integrated element including the semiconductor optical modulation element having the nip layer structure described in the first embodiment , for example, a traveling wave electrode is used as a signal electrode. By using it, it is possible to obtain good modulation characteristics even at higher speeds. As a result, for example, it is possible to manufacture a terabit-class transmitter for huge capacity transmission, which is conventionally performed by an LN external modulator, in a smaller and more mass-produced semiconductor optical integrated device.
ここで基板材料はInP以外にも同構造を有する、例えばGaAs、GaP、ZnS、ZnSeを用いた場合においてもその有用性は変わらないことは明らかである。
なお、本実施例においては、1.55μm波長帯に対応する半導体光変調素子を用いたが1.3μm波長帯に対応するものを用いてもよい。
また例えばGaAsを用いれば0.6〜1.3μm波長帯にも対応できる。
Here, it is clear that the usefulness of the substrate material does not change even when GaAs, GaP, ZnS, ZnSe, for example, has the same structure other than InP.
In the present embodiment, the semiconductor optical modulation element corresponding to the 1.55 μm wavelength band is used, but one corresponding to the 1.3 μm wavelength band may be used.
For example, if GaAs is used, it can respond to a wavelength range of 0.6 to 1.3 μm.
100,100a 半導体光変調素子
101 基板
102 バッファ層
103 コンタクト層
104 電極
105コンタクト層
111a,111b 電極
112a,112b コンタクト層
113a,113b クラッド層
114a,114b 光閉じ込め層
115a,115b コア層
116a,116b 光閉じ込め層
117a,117b クラッド層
121a,121b キャリアブロック層
122a,122b クラッド層
130,130a MZ型光変調領域
150 LD領域
200,200a 半導体光集積素子
100, 100a Semiconductor
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