JP6922781B2

JP6922781B2 - 光変調器

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Publication number: JP6922781B2
Application number: JP2018029445A
Authority: JP
Inventors: 達郎開; 硴塚　孝明; 孝明硴塚; 松尾　慎治; 慎治松尾
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2038-02-22
Also published as: EP3757664B1; US11747659B2; JP2019144448A; EP3757664A1; CN111758065A; EP3757664A4; US20200400977A1; CN111758065B; WO2019163559A1

Description

本発明は、ＩｎＰ系の半導体から構成したコアによる光変調器に関する。

光変調器は、大容量光通信のキーデバイスである。この光変調器において、コアなどの光変調が行われる部分は、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ₃）、ＩｎＰ系材料、シリコン（Ｓｉ）など様々な材料で作製されている。この中で、ＩｎＰ系材料は、Ｆ−Ｋ（Franz-Keldysh）効果、ポッケルス効果、ＱＣＳＥ（Quantum Confined Stark Effect）効果、キャリアプラズマ効果、バンドフィリング効果などにより、大きな屈折率変化が可能であり、変調器の材料として有望である。

例えば、特許文献１には、図３に示すように、ＩｎＰからなるｎ型クラッド層３０１の上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる屈折率制御層３０２を設け、この上にＩｎＰからなるｐ型クラッド層３０３を配置した屈折率制御領域を備える光変調器について記載されている。特許文献１には、コアとなる屈折率制御層３０２に逆バイアスを印加することで、Ｆ−Ｋ効果、キャリアプラズマ効果、バンドフィリング効果による屈折率変調が可能となることが報告されている。

特開２０１０−１１３０８４号公報

ところで、上述したコアをＩｎＰ系材料から構成した光変調器では、変調効率を向上するためには、光の電場分布と電荷空乏化領域とが重なる部分を大きくすることが必要となる。このためには、光閉じ込めが大きくなるように、コアとクラッドとの間の屈折率差を大きくすることが重要となる。しかし、従来の光変調器は、コアを構成しているＩｎＧａＡｓＰに対し、この層を上下に挾むクラッド層がＩｎＰなどのＩｎＰ系の半導体から構成されている。このため、これらの間の屈折率差が大きくできず、光の電場分布と電荷空乏化領域とが重なる部分を大きくすることが容易ではなく、変調効率を向上させることが容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＩｎＰ系の半導体から構成したコアを用いる光変調器において、変調効率がより容易に向上できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光変調器は、基板の上に形成されたＩｎＰの屈折率以下の屈折率とされた下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成された所望とする波長に対応するバンドギャップのＩｎＰ系の半導体から構成されたコアと、コアの上に形成されたＩｎＰの屈折率以下の屈折率とされた上部クラッド層と、コアに電界を印加する電界印加手段とを備える。

上記光変調器において、コアは、ＩｎＧａＡｓＰから構成されていればよい。また、下部クラッド層および上部クラッド層は、酸化シリコンから構成されていればよい。

上記光変調器において、電界印加手段は、基板の平面に水平な方向でコアを挾んで形成された第１導電型の第１半導体層および第２導電型の第２半導体層から構成されている。

上記光変調器において、コアは、第１導電型の第１コアと第２導電型の第２コアとから構成されていてもよい。この場合、第１コアおよび第２コアは、基板の平面に平行な方向に配列された状態で形成されていてもよく、第１コアおよび第２コアは、下部クラッド層の上に積層した状態で形成されていてもよい。

上記光変調器において、コアの一方の側において、第１半導体層が、コアのなかで第１コアのみに接して形成され、コアの他方の側において、第２半導体層が、コアのなかで第２コアのみに接して形成されているようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、ＩｎＰ系の半導体から構成したコアの上下に、ＩｎＰの屈折率以下の屈折率とされた下部クラッド層および上部クラッド層を配置したので、ＩｎＰ系の半導体から構成したコアを用いる光変調器において、変調効率がより容易に向上できるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態における光変調器の構成を示す断面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。図１Ｃは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。図１Ｄは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。図１Ｅは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。図１Ｆは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。図１Ｇは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。図１Ｈは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。図１Ｉは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。図２Ａは、本発明の実施の形態における光変調器の一部構成を模式的に示す平面図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態における光変調器の一部構成を模式的に示す平面図である。図３は、従来の光変調器の一部構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態おける光変調器について図１Ａ〜図１Ｉを参照して説明する。なお、図１Ａ〜図１Ｉは、導波方向に垂直な断面を示している。

実施の形態における光変調器は、図１Ａに示すように、基板１０１の上に形成された下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成されたコア１０３と、コア１０３の上に形成された上部クラッド層１０４とを備える。下部クラッド層１０２とコア１０３と上部クラッド層１０４とにより、光導波路が構成される。例えば、下部クラッド層１０２とコア１０３と上部クラッド層１０４とにより、シングルモード条件を満たす光導波路が構成されればよい。

下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４の屈折率は、ＩｎＰの屈折率以下とされている。下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４は、例えば、酸化シリコンから構成されている。コア１０３は、所望とする波長に対応するバンドギャップのＩｎＰ系の半導体から構成されている。コア１０３は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰから構成されている。この場合、変調の対象となる光の波長は、通信波長帯である１．５μｍ帯となる。なお、基板１０１は、例えば、シリコン基板であればよい。また、下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４は、ＩｎＰより屈折率が小さい材料から構成すればよく、酸化シリコンに限るものではない。

なお、この光変調器は、基板１０１の平面に水平な方向でコア１０３を挾んで形成された第１導電型の第１半導体層１０５および第２導電型の第２半導体層１０６を備える。第１導電型は、例えばｎ型であり、第２導電型は、例えばｐ型である。また、第１半導体層１０５には、第１電極１０７がオーミック接続して形成され、第２半導体層１０６には、第２電極１０８がオーミック接続して形成されている。

これら、第１半導体層１０５、第２半導体層１０６、第１電極１０７、第２電極１０８により、コア１０３に対する電界印加手段が構成されている。第１電極１０７、第２電極１０８は、平面視でコア１０３と重ならないように配置される。なお、第１半導体層１０５、第２半導体層１０６は、コア１０３より小さい屈折率とされており、基板１０１の平面に平行な方向で、コア１０３に光閉じ込めを行うクラッドとしても機能する。

なお、コア１０３には、ｎ型またはｐ型の不純物が導入されて導電型を有する状態とされている。上述した電界印加手段によりコア１０３に電界を印加すると、コア１０３の一部が空乏化し、光導波路を伝搬（導波）する光の位相が変調される。前述したように、各電極は、平面視でコア１０３と重ならないように配置されているので、電極による光吸収が低減される状態で、コア１０３を薄くすることができるため、伝搬光モードフィールド径を小さくすることができる。

また、上述した実施の形態における光変調器によれば、酸化シリコンなどの屈折率がＩｎＰの屈折率以下の材料により、下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４を構成したので、これらをＩｎＰ系の半導体から構成する場合に比較して、コア１０３に対する光閉じ込めが強くなる。これにより、コア１０３における伝播光の電場分布と電荷空乏化領域とが重なる部分を大きくすることができ、変調効率を向上させることがより容易に実現できるようになる。

ここで、上述した実施の形態における光変調器の製造方法について、簡単に説明する。例えば、ＩｎＰからなる成長基板を用意し、よく知られた有機金属気相成長法により、成長基板の上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる成長層をエピタキシャル成長する。次に、成長させた成長層を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングし、コア１０３を形成する。次に、コア１０３の両脇の成長基板にＩｎＰを再成長させることで、第１半導体層１０５および第２半導体層１０６を形成する。

次に、成長基板の上に形成したコア１０３，第１半導体層１０５，および第２半導体層１０６の上に、下部クラッド層１０２が形成されている基板１０１を、公知の貼り合わせ技術により貼り合わせる。例えば、シリコンからなる基板１０１の上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などの公知の堆積法により酸化シリコンを堆積することで、下部クラッド層１０２を形成しておけばよい。この後、成長基板を除去することで、基板１０１の上に、下部クラッド層１０２が形成され、下部クラッド層１０２の上にコア１０３，第１半導体層１０５，および第２半導体層１０６が形成された状態とする。

次に、第１半導体層１０５および第２半導体層１０６に、第１電極１０７および第２電極１０８を形成する。この後、スパッタ法などにより、第１電極１０７，第２電極１０８を形成した第１半導体層１０５，第２半導体層１０６およびコア１０３の上に酸化シリコンを堆積することで、上部クラッド層１０４を形成し、上述した実施の形態における光変調器とする。

ところで、図１Ｂに示すように、コア１０３の上下に半導体層１１１，半導体層１１２が配置されていてもよい。半導体層１１１，半導体層１１２は、例えば、ＩｎＰから構成されている。また、第１半導体層１０５の上にコンタクト層１１３を介して第１電極１０７を接続してもよい。同様に、第２半導体層１０６の上にコンタクト層１１４を介して第２電極１０８を接続してもよい。コンタクト層１１３，コンタクト層１１４は、例えば、ＩｎＧａＡｓから構成すればよい。また、コンタクト層１１３は、第１導電型の不純物をより高濃度に導入して形成し、コンタクト層１１４は、第２導電型の第１導電型の不純物をより高濃度に導入して形成すればよい。

また、コア１０３は、例えば、多重量子井戸構造としてもよい。なお、コア１０３は、アンドープの状態としてもよい。

また、図１Ｃに示すように、コア１０３は、第１導電型の第１コア１３１と第２導電型の第２コア１３２とから構成されているようにしてもよい。この例では、第１コア１３１および第２コア１３２は、基板１０１の平面に平行な方向に配列された状態で形成されている。このように、コア１０３を第１コア１３１と第２コア１３２とから構成することで、光電場のピークとｐ−ｎ接合（電荷空乏化領域）が近く、これらが重なる部分が大きくなるり、高変調効率化に有望である。

コア１０３をＩｎＧａＡｓＰから構成する場合、例えばｐ型とする第２コア１３２に導入するアクセプタは、大きな光吸収係数を有する一方でキャリアプラズマ効果による屈折率変化量は非常に小さい。このため、上記アクセプタの密度は、ｎ型とする第１コア１３１に導入するドナーの密度よりも低くし、第２コア１３２が空乏化しやすいようにした方が良い。

また、図１Ｄに示すように、第１導電型の第１コア１３３および第２導電型の第２コア１３４を、下部クラッド層１０２の上に積層した状態で形成してもよい。この構成とすることで、コア１０３を構成する２つの第１コア１３３および第２コア１３４の両者が、第１半導体層１０５および第２半導体層１０６に接して形成されることになる。この構成とした場合、コア１０３には、基板１０１の平面に垂直な方向にも電界が印加される。コア１０３を伝搬する光のモード径は、基板１０１に対して垂直方向の方が小さいため、垂直方向に空乏層が広がるこの構造は、光と空乏領域との重なり部分がより大きくなる。

ところで、半導体層１１１，半導体層１１２は、不純物が導入されて導電型を備えるものとしてもよい。例えば、半導体層１１１を第１導電型とし、半導体層１１２を第２導電型とすればよい。半導体層１１１，半導体層１１２をＩｎＰから構成する場合、図１Ｅに示すように、基板１０１の平面に水平な方向および垂直な方向で、コア１０３を挾んで形成された第１導電型の第１半導体層１５１および第２導電型の第２半導体層１６１を備える構成となる。

また、図１Ｆに示すように、基板１０１の平面に水平な方向でコア１０３を挾んで形成された第１導電型の第１半導体層１５２および第２導電型の第２半導体層１６２を備えるようにしてもよい。第１半導体層１５２および第２半導体層１６２は、コア１０３の両脇の部分が薄くされている。この薄くされている部分が、上部クラッド層１４１により埋め込まれている。この構成とすることで、コア１０３に対する光閉じ込めを更に向上することが可能となり、高変調効率化に有望である。なお、この場合、第１半導体層１５２および第２半導体層１６２には、クラッドとしての機能が備えられている必要ない。

また、図１Ｆを用いて説明した構成について、図１Ｇに示すように、コア１０３の下面が下部クラッド層１０２の上に接して形成され、コア１０３の上面に上部クラッド層１４１が接して形成される構成としてもよい。この構成は、図１Ｆに示す半導体層１１１，半導体層１１２がない状態である。

また、図１Ｈに示すように、コア１０３の一方の側において、第１半導体層１５３が、コア１０３のなかで第１コア１３３のみに接して形成され、コア１０３の他方の側において、第２半導体層１６３が、コア１０３のなかで第２コア１３４のみに接して形成されているようにしてもよい。第１半導体層１５３は、第１導電型（例えばｎ型）とされ、第２半導体層１６３は、第２導電型（例えばｐ型）とされている。

なお、コア１０３の一方の側において、第２コア１３４には、半絶縁性の半導体からなる横クラッド層１１５が接して形成されている。また、コア１０３の他方の側において、第１コア１３３には、半絶縁性の半導体からなる横クラッド層１１６が接して形成されている。第１半導体層１５３，第２半導体層１６３，横クラッド層１１５，横クラッド層１１６は、例えば、ＩｎＰから構成すればよい。例えば、Ｆｅをドープすることで半絶縁性としたＩｎＰから横クラッド層１１５，横クラッド層１１６を構成すればよい。

上述したように構成することで、コア１０３を導波する光の電場分布と電荷空乏化領域とが重なる部分が大きい、基板１０１に垂直方向にはｐ−ｎ接合が形成され、ここには電界が印加される。一方、コア１０３を導波する光の電場分布と電荷空乏化領域とが重なる部分が小さい、基板１０１の平面に水平方向には、ｐ−ｎ接合が形成されない。これらのことにより、低寄生容量化が可能となり、高速化に有利となる。なお、横クラッド層１１５，横クラッド層１１６は、ＳｉＯ₂等の絶縁体もしくは空気から構成してもよい。

また、図１Ｉに示すように、下部クラッド層１０２の上に、第１導電型の第１半導体層１５４および第２導電型の第２半導体層１６４を形成するようにしてもよい。

第１半導体層１５４は、コア形成領域２０１において、下部クラッド層１０２から離間して形成されている。また、下部クラッド層１０２から離間している領域において、下部クラッド層１０２と第１半導体層１５４との間には、空気の層から構成された横クラッド層１１７を備える。一方、第２半導体層１６４は、コア形成領域２０１において、上部クラッド層１４２から離間して形成されている。また、コア形成領域２０１における上部クラッド層１４２から離間している領域において、第２半導体層１６４と上部クラッド層１４２との間には、第１半導体層１５４が配置されている。

上述した構成の光変調器では、コア形成領域２０１において、第１半導体層１５４の一部と、第２半導体層１６４の一部とが積層してコア１０３を構成している。コア形成領域２０１における第１半導体層１５４は、第１導電型の第１コア１３５となり、コア形成領域２０１における第２半導体層１６４は、第２導電型の第２コア１３６となる。

ところで、図１Ｄ，図１Ｈ，図１Ｉを用いて説明したように、ＩｎＧａＡｓＰからなるコア１０３を第１導電型の部分と第２導電型の部分とから構成し、これら（ｐｎ接合）を下部クラッド層１０２の上に積層した状態とする場合は、コア１０３の延在方向を、ＩｎＧａＡｓＰの結晶方向に揃えるようにするとよい。

例えば、基板の側にｐ型の第１コアを配置し、この上にｎ型の第２コアを配置する場合、図２Ａに示すように、ＩｎＧａＡｓＰからなるコア１０３の上面は、（００１）とし、コア１０３の延在する方向（光モードの伝搬方向）は、ＩｎＧａＡｓＰの［１１０］軸方向とするとよい。この構成では、コア１０３に対して基板１０１の垂直方向に電界を印加するため、ポッケルス効果が屈折率変化に寄与するためである。コア１０３の延在方向を上記［１１０］方向とすることで、ポッケルス効果による屈折率変化の符号は、Ｆ−Ｋ効果、キャリアプラズマ効果、バンドフィリング効果と一致する。このため、コア１０３に印加される逆バイアスに対して大きな屈折率変化量が得られる。

また、基板の側にｎ型の第１コアを配置し、この上にｐ型の第２コアを配置する場合、図２Ｂに示すように、ＩｎＧａＡｓＰからなるコア１０３の上面は、（００１）とし、コア１０３の延在する方向（光モードの伝搬方向）は、ＩｎＧａＡｓＰの［１−１０］軸方向とするとよい。これば、この構成では、成就した構成に対して電界の方向が上述の場合と逆になるためである。

以上に説明したように、本発明によれば、ＩｎＰ系の半導体から構成したコアの上下に、ＩｎＰの屈折率以下の屈折率とされた下部クラッド層および上部クラッド層を配置したので、ＩｎＰ系の半導体から構成したコアを用いる光変調器において、変調効率がより容易に向上できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…コア、１０４…上部クラッド層、１０５…第１半導体層、１０６…第２半導体層、１０７…第１電極、１０８…第２電極。

Claims

基板の上に形成されたＩｎＰの屈折率以下の屈折率とされた下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成された所望とする波長に対応するバンドギャップのＩｎＰ系の半導体から構成されたコアと、
前記コアの上に形成されたＩｎＰの屈折率以下の屈折率とされた上部クラッド層と、
前記コアに電界を印加する電界印加手段と
を備え、
前記電界印加手段は、前記基板の平面に水平な方向で前記コアを挾んで形成された第１導電型の第１半導体層および第２導電型の第２半導体層から構成され、
前記第１半導体層および前記第２半導体層は、前記コアより小さい屈折率の材料から構成され、
前記コアは、ＩｎＰ系の半導体から構成され、
前記第１半導体層および前記第２半導体層は、ＩｎＰから構成され、
前記コアは、ＩｎＧａＡｓＰから構成されていることを特徴とする光変調器。
請求項１記載の光変調器において、
前記下部クラッド層および前記上部クラッド層は、酸化シリコンから構成されていることを特徴とする光変調器。
請求項１または２記載の光変調器において、
前記コアは、第１導電型の第１コアと第２導電型の第２コアとから構成されていることを特徴とする光変調器。
請求項３記載の光変調器において、
前記第１コアおよび前記第２コアは、前記基板の平面に平行な方向に配列された状態で形成されていることを特徴とする光変調器。
請求項３記載の光変調器において、
前記第１コアおよび前記第２コアは、前記下部クラッド層の上に積層した状態で形成されていることを特徴とする光変調器。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光変調器において、
前記コアの厚さは、前記第１半導体層および前記第２半導体層の厚さ以下とされている
ことを特徴とする光変調器。