JP5685938B2

JP5685938B2 - 光半導体装置

Info

Publication number: JP5685938B2
Application number: JP2010292997A
Authority: JP
Inventors: 和久高木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: JP2012141395A

Description

本発明は、マッハツェンダ型光変調器を備える光半導体装置に関し、特に変調電圧を大きくしなくても周波数特性の劣化を防ぐことができる光半導体装置に関する。

光ファイバ通信用の送信器において、マッハツェンダ干渉（Mach-Zehnder interferometer）型の光変調器を備える光半導体装置が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１９１２９０号公報

マッハツェンダ型光変調器に入力される光の強度が大きくなると、位相変調部において光吸収電流が発生する。これにより、活性層を含むアンドープ層に加わる電圧が降下し、アンドープ層が完全に空乏化しなくなる。このため、位相変調部の寄生容量が増加し、周波数特性が劣化する。これを防ぐには、外部から印加される変調電圧を大きくして、光吸収電流により降下した電圧を補う必要がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、変調電圧を大きくしなくても周波数特性の劣化を防ぐことができる光半導体装置を得るものである。

本発明に係る光半導体装置は、光源と、前記光源からの光を変調する第１のマッハツェンダ型光変調器と、前記第１のマッハツェンダ型光変調器の出力光を変調する第２のマッハツェンダ型光変調器とを備え、前記第１及び第２のマッハツェンダ型光変調器の各々は、活性層を含むアンドープ層と、前記アンドープ層を挟むクラッド層とを有し、前記第１のマッハツェンダ型光変調器の前記活性層のバンドギャップ波長が、前記第２のマッハツェンダ型光変調器の前記活性層のバンドギャップ波長よりも短いことを特徴とする。

本発明により、変調電圧を大きくしなくても周波数特性の劣化を防ぐことができる。

本発明の実施の形態１に係る光半導体装置を示す上面図である。図１のＡ−Ａ´に沿った断面図である。本発明の実施の形態２に係る光半導体装置を示す上面図である。本発明の実施の形態３に係る光半導体装置を示す上面図である。本発明の実施の形態４に係る光半導体装置を示す上面図である。本発明の実施の形態５に係る光半導体装置を示す上面図である。

本発明の実施の形態に係る光半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光半導体装置を示す上面図である。この光半導体装置は、半導体レーザ１とマッハツェンダ型光変調器２，３を備える。半導体レーザ１からの光をマッハツェンダ型光変調器２が変調する。マッハツェンダ型光変調器２の出力光をマッハツェンダ型光変調器３が変調する。

マッハツェンダ型光変調器２，３の各々は、光を分波する光分波部４と、この光分波部４で分波された光を導く２つの光経路５，６と、これら光経路５，６が導く２つの光を合波する光合波部７とを有する。光経路５，６の各々には、変調電圧が印加される位相変調部８と、直流電圧が印加される位相調整部９とが設けられている。

図２は、図１のＡ−Ａ´に沿った断面図である。即ち、マッハツェンダ型光変調器２の位相変調部８の断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１０上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１１、アンドープＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸の活性層１２、アンドープＩｎＰクラッド層１３、ｐ型ＩｎＰクラッド層１４、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ−ＢＤＲ層１５、及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６が積層されている。この積層構造にリッジが形成され、リッジの上面の一部以外の基板上面側がＳｉＮ絶縁膜１７で覆われている。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６にアノード電極１８が接続され、ｎ型ＩｎＰ基板１０の裏面にカソード電極１９が接続されている。このようにｎ型ＩｎＰクラッド層１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層１４が、活性層１２を含むアンドープ層２０を挟んでいる。マッハツェンダ型光変調器３も同様の積層構造を有する。

半導体レーザ１からの光の強度が大きくなると、半導体レーザ１に近いマッハツェンダ型光変調器２の周波数特性が劣化しやすい。そこで、本実施の形態では、マッハツェンダ型光変調器２の活性層１２のバンドギャップ波長を、マッハツェンダ型光変調器３の活性層１２のバンドギャップ波長よりも短くする。例えば、半導体レーザ１からの光の波長が１５５０ｎｍであるとき、前者は１４２０ｎｍ、後者は１４３０ｎｍである。これにより、マッハツェンダ型光変調器２の活性層１２のバンド端での光吸収量が減少し、光吸収電流が低減される。従って、変調電圧を大きくしなくても、高周波での周波数特性の劣化を防ぐことができる。そして、マッハツェンダ型光変調器２での光吸収量を減少させても、後段のマッハツェンダ型光変調器３が存在するため、十分な光変調を行うことができる。

また、マッハツェンダ型光変調器２のアンドープ層２０の層厚が、マッハツェンダ型光変調器３のアンドープ層２０の層厚よりも薄い。例えば、前者は１００ｎｍ、後者は１２０ｎｍである。これにより、単位変調電圧あたりのアンドープ層２０内の電界強度が増大するため、光変調に必要な変調電圧を低減することができる。

また、マッハツェンダ型光変調器２のｎ型ＩｎＰクラッド層１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層１４のキャリア濃度が、マッハツェンダ型光変調器３のｎ型ＩｎＰクラッド層１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層１４のキャリア濃度よりも高い。例えば、前者は１．５Ｅ１８ｃｍ^−３、後者は１．０Ｅ１８ｃｍ^−３である。そして、マッハツェンダ型光変調器２のｎ型ＩｎＰクラッド層１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層１４の層厚が、マッハツェンダ型光変調器３のｎ型ＩｎＰクラッド層１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層１４の層厚よりも薄い。例えば、前者は１．８μｍ、後者は２μｍである。このため、マッハツェンダ型光変調器２のｎ型ＩｎＰクラッド層１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層１４の抵抗が、マッハツェンダ型光変調器３のｎ型ＩｎＰクラッド層１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層１４の抵抗よりも小さくなる。これにより、光吸収電流による変調電圧の降下を小さくできるため、光変調に必要な変調電圧を低減することができる。

また、マッハツェンダ型光変調器２の活性層１２を構成する多重量子井戸の井戸層の層厚が、マッハツェンダ型光変調器３の活性層１２を構成する多重量子井戸の井戸層の層厚よりも厚い。例えば、前者は１０ｎｍ、後者は８ｎｍである。これにより、マッハツェンダ型光変調器２の活性層１２の単位変調電圧あたりのバンドギャップ波長のシフト量が大きくなり、屈折率変化による位相変化量がより大きくなるため、光変調に必要な変調電圧を低減することができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る光半導体装置を示す上面図である。マッハツェンダ型光変調器２が２つのマッハツェンダ型光変調器を並列に接続した構成になっている。この場合でも、マッハツェンダ型光変調器２，３に実施の形態１の構成を適用することにより、同様の効果が得られる。なお、マッハツェンダ型光変調器３が２つのマッハツェンダ型光変調器を並列に接続した構成でも同様である。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る光半導体装置を示す上面図である。実施の形態１に対する相違点として、位相調整部９が位相変調部８よりも半導体レーザ１に近くなっている。これにより、位相変調部８で発生する光吸収電流を更に低減することができる。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係る光半導体装置を示す上面図である。実施の形態１〜３では複数のマッハツェンダ型光変調器が集積されていたが、本実施の形態では１つのマッハツェンダ型光変調器２の位相変調部８が複数の部分Ｍ１，Ｍ２，・・・を有する。各部分は図２と同様の積層構造を有する。第２の部分Ｍ２，Ｍ３・・・は、第１の部分Ｍ１よりも半導体レーザ１から遠い。

半導体レーザ１からの光の強度が大きくなると、半導体レーザ１に近い第１の部分Ｍ１の周波数特性が劣化しやすい。そこで、本実施の形態では、第１の部分Ｍ１の活性層１２のバンドギャップ波長を、第２の部分Ｍ２，Ｍ３・・・の活性層１２のバンドギャップ波長よりも短くする。これにより、第１の部分Ｍ１の活性層１２のバンド端での光吸収量が減少し、光吸収電流が低減される。従って、変調電圧を大きくしなくても、高周波での周波数特性の劣化を防ぐことができる。

また、第１の部分Ｍ１のアンドープ層２０の層厚が、第２の部分Ｍ２，Ｍ３・・・のアンドープ層２０の層厚よりも薄い。これにより、単位変調電圧あたりのアンドープ層２０内の電界強度が増大するため、光変調に必要な変調電圧を低減することができる。

また、第１の部分Ｍ１のｎ型ＩｎＰクラッド層１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層１４のキャリア濃度が、第２の部分Ｍ２，Ｍ３・・・のｎ型ＩｎＰクラッド層１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層１４のキャリア濃度よりも高い。そして、第１の部分Ｍ１のｎ型ＩｎＰクラッド層１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層１４の層厚が、第２の部分Ｍ２，Ｍ３・・・のｎ型ＩｎＰクラッド層１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層１４の層厚よりも薄い。このため、第１の部分Ｍ１のｎ型ＩｎＰクラッド層１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層１４の抵抗が、第２の部分Ｍ２，Ｍ３・・・のｎ型ＩｎＰクラッド層１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層１４の抵抗よりも小さくなる。これにより、光吸収電流による変調電圧の降下を小さくできるため、光変調に必要な変調電圧を低減することができる。

また、第１の部分Ｍ１の活性層１２を構成する多重量子井戸の井戸層の層厚が、第２の部分Ｍ２，Ｍ３・・・の活性層１２を構成する多重量子井戸の井戸層の層厚よりも厚い。これにより、第１の部分Ｍ１の活性層１２の単位変調電圧あたりのバンドギャップ波長のシフト量が大きくなり、屈折率変化による位相変化量がより大きくなるため、光変調に必要な変調電圧を低減することができる。

実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５に係る光半導体装置を示す上面図である。実施の形態４に対する相違点として、位相調整部９が位相変調部８よりも半導体レーザ１に近くなっている。これにより、位相変調部８で発生する光吸収電流を更に低減することができる。

１半導体レーザ（光源）
２マッハツェンダ型光変調器（第１のマッハツェンダ型光変調器）
３マッハツェンダ型光変調器（第２のマッハツェンダ型光変調器）
８位相変調部
９位相調整部
１１ｎ型ＩｎＰクラッド層（クラッド層）
１２活性層
１４ｐ型ＩｎＰクラッド層（クラッド層）
２０アンドープ層
Ｍ１第１の部分
Ｍ２，Ｍ３・・・第２の部分

Claims

光源と、
前記光源からの光を変調する第１のマッハツェンダ型光変調器と、
前記第１のマッハツェンダ型光変調器の出力光を変調する第２のマッハツェンダ型光変調器とを備え、
前記第１及び第２のマッハツェンダ型光変調器の各々は、活性層を含むアンドープ層と、前記アンドープ層を挟むクラッド層とを有し、
前記第１のマッハツェンダ型光変調器の前記活性層のバンドギャップ波長が、前記第２のマッハツェンダ型光変調器の前記活性層のバンドギャップ波長よりも短いことを特徴とする光半導体装置。
前記第１のマッハツェンダ型光変調器の前記アンドープ層の層厚が、前記第２のマッハツェンダ型光変調器の前記アンドープ層の層厚よりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
前記第１のマッハツェンダ型光変調器の前記クラッド層の抵抗が、前記第２のマッハツェンダ型光変調器の前記クラッド層の抵抗よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体装置。
前記第１のマッハツェンダ型光変調器の前記クラッド層のキャリア濃度が、前記第２のマッハツェンダ型光変調器の前記クラッド層のキャリア濃度よりも高いことを特徴とする請求項３に記載の光半導体装置。
前記第１のマッハツェンダ型光変調器の前記クラッド層の層厚が、前記第２のマッハツェンダ型光変調器の前記クラッド層の層厚よりも薄いことを特徴とする請求項３又は４に記載の光半導体装置。
前記第１のマッハツェンダ型光変調器の前記活性層を構成する多重量子井戸の井戸層の層厚が、前記第２のマッハツェンダ型光変調器の前記活性層を構成する多重量子井戸の井戸層の層厚よりも厚いことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光半導体装置。
前記第１及び第２のマッハツェンダ型光変調器の各々は、変調電圧が印加される位相変調部と、直流電圧が印加される位相調整部とを有し、
前記位相調整部は、前記位相変調部よりも前記光源に近いことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の光半導体装置。
光源と、
前記光源からの光を変調するマッハツェンダ型光変調器とを備え、
前記マッハツェンダ型光変調器は、変調電圧が印加される位相変調部を有し、
前記位相変調部は、第１の部分と、前記第１の部分よりも前記光源から遠い第２の部分とを有し、
前記第１及び第２の部分の各々は、活性層を含むアンドープ層と、前記アンドープ層を挟むクラッド層とを有し、
前記第１の部分の前記活性層のバンドギャップ波長が、前記第２の部分の前記活性層のバンドギャップ波長よりも短波であることを特徴とする光半導体装置。
前記第１の部分の前記アンドープ層の層厚が、前記第２の部分の前記アンドープ層の層厚よりも薄いことを特徴とする請求項８に記載の光半導体装置。
前記第１の部分の前記クラッド層の抵抗が、前記第２の部分の前記クラッド層の抵抗よりも小さいことを特徴とする請求項８又は９に記載の光半導体装置。
前記第１の部分の前記クラッド層のキャリア濃度が、前記第２の部分の前記クラッド層のキャリア濃度よりも高いことを特徴とする請求項１０に記載の光半導体装置。
前記第１の部分の前記クラッド層の層厚が、前記第２の部分の前記クラッド層の層厚よりも薄いことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光半導体装置。
前記第１の部分の前記活性層を構成する多重量子井戸の井戸層の層厚が、前記第２の部分の前記活性層を構成する多重量子井戸の井戸層の層厚よりも厚いことを特徴とする請求項８〜１２の何れか１項に記載の光半導体装置。
前記マッハツェンダ型光変調器は、直流電圧が印加される位相調整部を更に有し、
前記位相調整部は、前記位相変調部よりも前記光源に近いことを特徴とする請求項８〜１３の何れか１項に記載の光半導体装置。