JPH06102476A - 半導体光変調器、半導体光検出器ならびに集積化光源とその製造方法 - Google Patents
半導体光変調器、半導体光検出器ならびに集積化光源とその製造方法Info
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- JPH06102476A JPH06102476A JP4276591A JP27659192A JPH06102476A JP H06102476 A JPH06102476 A JP H06102476A JP 4276591 A JP4276591 A JP 4276591A JP 27659192 A JP27659192 A JP 27659192A JP H06102476 A JPH06102476 A JP H06102476A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高速で低チャーピングな多重量子井戸構造光
変調器を提供する。 【構成】 量子井戸構造の光吸収層を採用した電界吸収
型光変調器は低電圧駆動・低挿入損失などの点で有望で
あるが、光吸収過程で発生したキャリアが量子井戸層内
に蓄積されるパイルアップと呼ばれる現象が起き易く、
これが原因で高速変調時の伝送特性を劣化させる。この
蓄積されたキャリア、特に正孔に注目し、その有効質量
を軽くするため、この光吸収遷移過程で電子と重い正孔
の代わりに電子と軽い正孔が生成されるようにした構造
や、また共鳴トンネリングが起きる構造を採用すること
で、キャリアが引き抜き易く高速応答が可能な光変調器
を提案した。
変調器を提供する。 【構成】 量子井戸構造の光吸収層を採用した電界吸収
型光変調器は低電圧駆動・低挿入損失などの点で有望で
あるが、光吸収過程で発生したキャリアが量子井戸層内
に蓄積されるパイルアップと呼ばれる現象が起き易く、
これが原因で高速変調時の伝送特性を劣化させる。この
蓄積されたキャリア、特に正孔に注目し、その有効質量
を軽くするため、この光吸収遷移過程で電子と重い正孔
の代わりに電子と軽い正孔が生成されるようにした構造
や、また共鳴トンネリングが起きる構造を採用すること
で、キャリアが引き抜き易く高速応答が可能な光変調器
を提案した。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体光変調器、半導
体光検出器ならびに集積化光源とその製造方法などに関
する。
体光検出器ならびに集積化光源とその製造方法などに関
する。
【０００２】
【従来の技術】単一軸モードレーザダイオードを光源と
し、その駆動電流を直接変調して得た光強度変調信号を
伝送する現行の幹線系光ファイバ通信システムでは、変
調時に光源の発振波長がわずかに変動するチャーピング
と呼ばれる現象が生じてしまう。これが光ファイバ中の
波長分散の影響を受けて伝送後の光波形劣化を引き起こ
し、伝送レートや伝送距離が制約を受ける。このため、
低チャープ性に優れた外部光変調器あるいは光変調器と
分布帰還レーザ（ＤＦＢレーザ）を同一基板上にモノリ
シック集積した光源素子（集積化光源）が、次世代の光
ファイバ通信用低チャープ光源デバイスとして期待され
ている。
し、その駆動電流を直接変調して得た光強度変調信号を
伝送する現行の幹線系光ファイバ通信システムでは、変
調時に光源の発振波長がわずかに変動するチャーピング
と呼ばれる現象が生じてしまう。これが光ファイバ中の
波長分散の影響を受けて伝送後の光波形劣化を引き起こ
し、伝送レートや伝送距離が制約を受ける。このため、
低チャープ性に優れた外部光変調器あるいは光変調器と
分布帰還レーザ（ＤＦＢレーザ）を同一基板上にモノリ
シック集積した光源素子（集積化光源）が、次世代の光
ファイバ通信用低チャープ光源デバイスとして期待され
ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような高度で高速
なシステムにおいては、光変調器周辺の駆動系の負担を
減らすために低電圧変調動作や素子の小型化が極めて重
要な課題である。半導体に電界を印加した場合にその光
吸収係数が急増するフランツ−ケルディッシュ効果（以
下、Ｆ−Ｋ効果）や量子閉じ込めシュタルク効果（以
下、ＱＣＳＥ）を応用した光強度変調器（以下、電界吸
収型光変調器）は、ニオブ酸リチウムなどの誘電体材料
の電気光学効果を応用した光変調器に比べて小型化が可
能であり、また光源である半導体レーザとの集積化が可
能である等の点で実用上優れている。
なシステムにおいては、光変調器周辺の駆動系の負担を
減らすために低電圧変調動作や素子の小型化が極めて重
要な課題である。半導体に電界を印加した場合にその光
吸収係数が急増するフランツ−ケルディッシュ効果（以
下、Ｆ−Ｋ効果）や量子閉じ込めシュタルク効果（以
下、ＱＣＳＥ）を応用した光強度変調器（以下、電界吸
収型光変調器）は、ニオブ酸リチウムなどの誘電体材料
の電気光学効果を応用した光変調器に比べて小型化が可
能であり、また光源である半導体レーザとの集積化が可
能である等の点で実用上優れている。
【０００４】なかでも、量子井戸構造のＱＣＳＥを光吸
収層に応用した光変調器は、低電圧駆動・低挿入損失な
どの点で、バルク半導体のＦ−Ｋ効果を用いたものに比
べて有利である。しかし、量子井戸構造の光変調器は、
光吸収によって発生したキャリアが量子井戸層内に蓄積
されるパイルアップと呼ばれる現象が起き易く、これが
原因で高速変調時の伝送特性を劣化させる。量子井戸層
内での動的なキャリアの振る舞いを詳細に分析すると以
下のようになる。 量子井戸に印加される外部電界の増加とともに光吸収
係数が増大する。 光吸収遷移過程で多数の電子−正孔対が生成される。 外部電界で傾斜したエネルギーバンド構造に沿って量
子井戸内に発生した電子と正孔がそれぞれ逆方向に引き
寄せられる。 互いに逆方向に引き寄せられた電子と正孔は、障壁層
の影響で量子井戸内に蓄積される。 互いに逆方向に引き寄せられた電子と正孔は、外部電
界と逆方向の電界（以下、反電界）を発生し、量子井戸
内の電界が飽和傾向を示す。 量子井戸内に発生した反電界によって、光吸収に大き
く関与する励起子が静電的に遮蔽され、光吸収が飽和す
る。 引き抜くための電界が飽和するため、特に正孔が比較
的長い時間（数１０ｎｓ）、量子井戸内に滞留する。 量子井戸内に滞留する正孔の影響で、応答速度が制約
を受ける。
収層に応用した光変調器は、低電圧駆動・低挿入損失な
どの点で、バルク半導体のＦ−Ｋ効果を用いたものに比
べて有利である。しかし、量子井戸構造の光変調器は、
光吸収によって発生したキャリアが量子井戸層内に蓄積
されるパイルアップと呼ばれる現象が起き易く、これが
原因で高速変調時の伝送特性を劣化させる。量子井戸層
内での動的なキャリアの振る舞いを詳細に分析すると以
下のようになる。 量子井戸に印加される外部電界の増加とともに光吸収
係数が増大する。 光吸収遷移過程で多数の電子−正孔対が生成される。 外部電界で傾斜したエネルギーバンド構造に沿って量
子井戸内に発生した電子と正孔がそれぞれ逆方向に引き
寄せられる。 互いに逆方向に引き寄せられた電子と正孔は、障壁層
の影響で量子井戸内に蓄積される。 互いに逆方向に引き寄せられた電子と正孔は、外部電
界と逆方向の電界（以下、反電界）を発生し、量子井戸
内の電界が飽和傾向を示す。 量子井戸内に発生した反電界によって、光吸収に大き
く関与する励起子が静電的に遮蔽され、光吸収が飽和す
る。 引き抜くための電界が飽和するため、特に正孔が比較
的長い時間（数１０ｎｓ）、量子井戸内に滞留する。 量子井戸内に滞留する正孔の影響で、応答速度が制約
を受ける。
【０００５】半導体光変調器の光吸収層のように、印加
電界を動的に変化させるデバイスでは以上のような現象
によって応答速度の劣化や双安定動作、さらには不要な
位相変調を招くことが予想される。これは、結果として
伝送後の光波形の劣化の原因となり、現状では実用に耐
える量子井戸構造の電界吸収型光変調器は実現されてい
ない。本発明の目的は、電界吸収型光変調器およびその
集積素子において、光吸収遷移過程で発生したキャリア
を高速に量子井戸から引き抜くことが可能な構造を提示
し、高速応答が可能な半導体光変調器、半導体光検出器
ならびに集積化光源を提供することにある。
電界を動的に変化させるデバイスでは以上のような現象
によって応答速度の劣化や双安定動作、さらには不要な
位相変調を招くことが予想される。これは、結果として
伝送後の光波形の劣化の原因となり、現状では実用に耐
える量子井戸構造の電界吸収型光変調器は実現されてい
ない。本発明の目的は、電界吸収型光変調器およびその
集積素子において、光吸収遷移過程で発生したキャリア
を高速に量子井戸から引き抜くことが可能な構造を提示
し、高速応答が可能な半導体光変調器、半導体光検出器
ならびに集積化光源を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明による半導体光変
調器は、量子井戸層において伝導帯の電子と価電子帯の
軽い正孔との間の光吸収遷移エネルギーが基底エネルギ
ーである量子井戸構造の光吸収層と、該光吸収層に電界
を印加するための電極構造とを半導体基板上に備えるこ
とを特徴とする。
調器は、量子井戸層において伝導帯の電子と価電子帯の
軽い正孔との間の光吸収遷移エネルギーが基底エネルギ
ーである量子井戸構造の光吸収層と、該光吸収層に電界
を印加するための電極構造とを半導体基板上に備えるこ
とを特徴とする。
【０００７】また、本発明による別の半導体光変調器
は、量子井戸層において価電子帯の軽い正孔または重い
正孔がある一定の外部電界を印加した場合に障壁層を挟
んで隣接する別の量子井戸層に共鳴トンネリングする層
構造を有する多重量子井戸構造の光吸収層と、該光吸収
層に電界を印加するための電極構造とを少なくとも半導
体基板上に備えることを特徴とする。
は、量子井戸層において価電子帯の軽い正孔または重い
正孔がある一定の外部電界を印加した場合に障壁層を挟
んで隣接する別の量子井戸層に共鳴トンネリングする層
構造を有する多重量子井戸構造の光吸収層と、該光吸収
層に電界を印加するための電極構造とを少なくとも半導
体基板上に備えることを特徴とする。
【０００８】また、本発明による半導体光検出器は、量
子井戸層において伝導帯の電子と価電子帯の軽い正孔と
の間の光吸収遷移エネルギーが基底エネルギーでありか
つ該量子井戸層に平行に入射した光を吸収する多重量子
井戸構造の光吸収層と、該光吸収層に電界を印加するた
めの電極構造とを半導体基板上に備えることを特徴とす
る。
子井戸層において伝導帯の電子と価電子帯の軽い正孔と
の間の光吸収遷移エネルギーが基底エネルギーでありか
つ該量子井戸層に平行に入射した光を吸収する多重量子
井戸構造の光吸収層と、該光吸収層に電界を印加するた
めの電極構造とを半導体基板上に備えることを特徴とす
る。
【０００９】また、本発明による集積化光源は、量子井
戸層において伝導帯の電子と価電子帯の軽い正孔との間
の光吸収遷移エネルギーが基底エネルギーである多重量
子井戸構造の光吸収領域と、該量子井戸層に垂直な方向
の偏波面を持つ光を発振しかつ該光吸収領域の長手軸方
向に隣接した活性層と、該光吸収領域に電界を印加しま
た該活性領域に電流を注入するための電極構造とを半導
体基板上に備えることを特徴とするか、またあるいはこ
の集積化光源において活性領域がこれを単一軸モード発
振させるための構造を備えることを特徴とするか、また
あるいはこの集積化光源において光導波層が回折格子が
ない領域側の半導体基板端面の手前で途切れた窓構造を
備えることを特徴とするか、またあるいはこの集積化光
源において光導波層がこれの長手軸方向を半導体基板端
面の法線方向に対して５゜以上傾けて配置されたことを
特徴とするか、またあるいはこの集積化光源において光
吸収層がこれにある一定の外部電界を印加した場合に障
壁層を挟んで隣接する別の量子井戸層に軽い正孔が共鳴
トンネリングする層構造を備えることを特徴とする。
戸層において伝導帯の電子と価電子帯の軽い正孔との間
の光吸収遷移エネルギーが基底エネルギーである多重量
子井戸構造の光吸収領域と、該量子井戸層に垂直な方向
の偏波面を持つ光を発振しかつ該光吸収領域の長手軸方
向に隣接した活性層と、該光吸収領域に電界を印加しま
た該活性領域に電流を注入するための電極構造とを半導
体基板上に備えることを特徴とするか、またあるいはこ
の集積化光源において活性領域がこれを単一軸モード発
振させるための構造を備えることを特徴とするか、また
あるいはこの集積化光源において光導波層が回折格子が
ない領域側の半導体基板端面の手前で途切れた窓構造を
備えることを特徴とするか、またあるいはこの集積化光
源において光導波層がこれの長手軸方向を半導体基板端
面の法線方向に対して５゜以上傾けて配置されたことを
特徴とするか、またあるいはこの集積化光源において光
吸収層がこれにある一定の外部電界を印加した場合に障
壁層を挟んで隣接する別の量子井戸層に軽い正孔が共鳴
トンネリングする層構造を備えることを特徴とする。
【００１０】また、本発明による集積化光源の製造方法
は、半導体材料を用いた集積化光源の製造方法であっ
て、半導体基板上に部分的に回折格子を形成する工程
と、該半導体基板上にストライプ状の開口部を有しかつ
該開口部両脇の部分の幅を該回折格子のある領域におい
て該回折格子の無い領域におけるよりも広くした誘電体
膜を形成する工程と、該開口部に光導波層とそれに引き
続いて該回折格子を設けた領域でＴＭ発振する程度まで
量子井戸層に引っ張り歪を加えた多重量子井戸構造を選
択的に一括成長する工程と、該誘電体膜を該開口部側よ
り部分的に除去して該半導体基板の一部を露出させる工
程と、この工程に引き続いて、前記選択成長した該光導
波層と該多重量子井戸構造を覆うクラッド層を選択成長
する工程と、該回折格子を設けた部分と設けない部分に
それぞれ電流を注入または電界を印加するための電極構
造を形成する工程とからなることを特徴とする。
は、半導体材料を用いた集積化光源の製造方法であっ
て、半導体基板上に部分的に回折格子を形成する工程
と、該半導体基板上にストライプ状の開口部を有しかつ
該開口部両脇の部分の幅を該回折格子のある領域におい
て該回折格子の無い領域におけるよりも広くした誘電体
膜を形成する工程と、該開口部に光導波層とそれに引き
続いて該回折格子を設けた領域でＴＭ発振する程度まで
量子井戸層に引っ張り歪を加えた多重量子井戸構造を選
択的に一括成長する工程と、該誘電体膜を該開口部側よ
り部分的に除去して該半導体基板の一部を露出させる工
程と、この工程に引き続いて、前記選択成長した該光導
波層と該多重量子井戸構造を覆うクラッド層を選択成長
する工程と、該回折格子を設けた部分と設けない部分に
それぞれ電流を注入または電界を印加するための電極構
造を形成する工程とからなることを特徴とする。
【００１１】
【作用】本発明による半導体光変調器は、多重量子井戸
（以下、ＭＱＷ）構造の光吸収層を有し、かつそのＭＱ
Ｗ構造が伝導帯の電子と価電子帯の軽い正孔との光吸収
遷移エネルギーが基底となるように形成されている。
（以下、ＭＱＷ）構造の光吸収層を有し、かつそのＭＱ
Ｗ構造が伝導帯の電子と価電子帯の軽い正孔との光吸収
遷移エネルギーが基底となるように形成されている。
【００１２】この光変調器は、光吸収で必然的に発生す
るキャリア、それも特に価電子帯で量子井戸層と障壁層
との界面に蓄積されてなかなか引き抜くことができない
正孔を、バンド構造に工夫して重い正孔の代わりに有効
質量のより小さな軽い正孔が光吸収で生成されるように
したものである。このように、キャリアの有効質量を小
さくすることにより、量子井戸層に蓄積された正孔を引
き抜き易くすることが可能である。このようなＭＱＷ構
造は量子井戸層に適度な引っ張り歪を加えることで比較
的容易に得られる。また、印加する歪量を変化させるこ
とで有効質量自身の調節も可能である。なお、電子と軽
い正孔間での光吸収遷移は、量子井戸層に垂直な偏波面
を持つＴＭモードの入射光に対して有効である。また、
この系は一般に引っ張り歪の印加とともに量子井戸層の
組成が短波側にずれるため、量子井戸層の幅を必然的に
厚くする必要がある。好都合なことに、これはＱＣＳＥ
をより大きくすることにつながり、駆動電圧の低減に有
効である。同時に、量子井戸層の幅が広くなることによ
り、蓄積されたキャリアが作り出す反電界を小さくする
ことが可能になり、光吸収に大きく寄与する励起子の遮
蔽効果が抑制されて、消光比の飽和傾向が改善される。
さらに、引っ張り歪の印加とともに価電子帯のバンド不
連続も小さくなることから、重い正孔が蓄積された場合
に比べて格段にパイルアップが抑制され、高速応答に極
めて効果的である。このように高速応答に適した引っ張
り歪を加えた量子井戸構造の応用としては、電界吸収型
光変調器はもちろん、導波型光検出器などが考えられ
る。
るキャリア、それも特に価電子帯で量子井戸層と障壁層
との界面に蓄積されてなかなか引き抜くことができない
正孔を、バンド構造に工夫して重い正孔の代わりに有効
質量のより小さな軽い正孔が光吸収で生成されるように
したものである。このように、キャリアの有効質量を小
さくすることにより、量子井戸層に蓄積された正孔を引
き抜き易くすることが可能である。このようなＭＱＷ構
造は量子井戸層に適度な引っ張り歪を加えることで比較
的容易に得られる。また、印加する歪量を変化させるこ
とで有効質量自身の調節も可能である。なお、電子と軽
い正孔間での光吸収遷移は、量子井戸層に垂直な偏波面
を持つＴＭモードの入射光に対して有効である。また、
この系は一般に引っ張り歪の印加とともに量子井戸層の
組成が短波側にずれるため、量子井戸層の幅を必然的に
厚くする必要がある。好都合なことに、これはＱＣＳＥ
をより大きくすることにつながり、駆動電圧の低減に有
効である。同時に、量子井戸層の幅が広くなることによ
り、蓄積されたキャリアが作り出す反電界を小さくする
ことが可能になり、光吸収に大きく寄与する励起子の遮
蔽効果が抑制されて、消光比の飽和傾向が改善される。
さらに、引っ張り歪の印加とともに価電子帯のバンド不
連続も小さくなることから、重い正孔が蓄積された場合
に比べて格段にパイルアップが抑制され、高速応答に極
めて効果的である。このように高速応答に適した引っ張
り歪を加えた量子井戸構造の応用としては、電界吸収型
光変調器はもちろん、導波型光検出器などが考えられ
る。
【００１３】また、量子井戸層で発生したキャリアを引
き抜く別の方法として、ある一定の外部電界を印加した
状態で、障壁層を挟んで隣接する他の量子井戸層あるい
は障壁層よりもポテンシャルの低い他の領域へ共鳴トン
ネリングさせる手段が考えられる。この現象は一般に高
速であり、消光比やキャリアのライフタイムを最適化す
る共鳴条件の層構造を実現すれば、先に示したものと同
様に光変調器の高性能化が期待できる。
き抜く別の方法として、ある一定の外部電界を印加した
状態で、障壁層を挟んで隣接する他の量子井戸層あるい
は障壁層よりもポテンシャルの低い他の領域へ共鳴トン
ネリングさせる手段が考えられる。この現象は一般に高
速であり、消光比やキャリアのライフタイムを最適化す
る共鳴条件の層構造を実現すれば、先に示したものと同
様に光変調器の高性能化が期待できる。
【００１４】また、単一軸モードレーザと光変調器をモ
ノリシック集積した集積化光源などでは、光変調器領域
で吸収させる光をＴＭモードにするために単一軸モード
レーザ自身もＴＭモード発振させる必要がある。さら
に、光変調器領域の光吸収層の波長組成がレーザ領域の
活性層のそれと異なることから、製造プロセス、特に結
晶成長が複雑となり、結果として歩留まりや信頼性を低
下させることが懸念される。この点に関しては、有機金
属気相エピタキシー（以下、ＭＯＶＰＥ）を用いた新し
い組成制御技術として、部分的に幅を変化させた成長阻
害マスクを用いて軸方向に波長組成の異なるＭＱＷ層を
成長できることが最近発明者らによって報告されてい
る。この技術では、成長阻害マスクの幅を狭くするほど
波長組成が短波側にシフトし、同時に引っ張り歪量が大
きくなる。幅を２段階に変えた成長阻害マスクを用いれ
ば活性層と光吸収層を一括成長することができるが、こ
の場合に幅が広い方のマスクの間に選択成長する量子井
戸層、すなわち活性層をＴＭモード発振をする程度の引
っ張り歪が加わるように成長条件を設定しておく。この
ようにすれば、幅の狭い方のマスクの間に選択成長され
る量子井戸層、すなわち光吸収層は自動的に電子と軽い
正孔の光吸収遷移過程が主となるため、ＴＭモード発振
／ＴＭモード吸収の集積化光源が実現できる。これは、
光導波層を量子井戸層の成長に先立って選択成長すれ
ば、すべての結晶成長が２回で済むため容易に作製でき
ること、また光吸収層での光吸収遷移過程で軽い正孔が
生成されることから前述のように高速・低チャープ化な
らびに低電圧駆動化に有利なことなど、結論として理想
的な集積化光源である。これに、上述の共鳴トンネリン
グ効果を採用すればさらに高速化できることはもちろ
ん、さらにチャーピング低減に有効な窓構造や斜め導波
路を採用することで、１０Ｇｂ／ｓを越える伝送レート
の光ファイバ通信システムに対応する集積化光源の実現
が期待できる。
ノリシック集積した集積化光源などでは、光変調器領域
で吸収させる光をＴＭモードにするために単一軸モード
レーザ自身もＴＭモード発振させる必要がある。さら
に、光変調器領域の光吸収層の波長組成がレーザ領域の
活性層のそれと異なることから、製造プロセス、特に結
晶成長が複雑となり、結果として歩留まりや信頼性を低
下させることが懸念される。この点に関しては、有機金
属気相エピタキシー（以下、ＭＯＶＰＥ）を用いた新し
い組成制御技術として、部分的に幅を変化させた成長阻
害マスクを用いて軸方向に波長組成の異なるＭＱＷ層を
成長できることが最近発明者らによって報告されてい
る。この技術では、成長阻害マスクの幅を狭くするほど
波長組成が短波側にシフトし、同時に引っ張り歪量が大
きくなる。幅を２段階に変えた成長阻害マスクを用いれ
ば活性層と光吸収層を一括成長することができるが、こ
の場合に幅が広い方のマスクの間に選択成長する量子井
戸層、すなわち活性層をＴＭモード発振をする程度の引
っ張り歪が加わるように成長条件を設定しておく。この
ようにすれば、幅の狭い方のマスクの間に選択成長され
る量子井戸層、すなわち光吸収層は自動的に電子と軽い
正孔の光吸収遷移過程が主となるため、ＴＭモード発振
／ＴＭモード吸収の集積化光源が実現できる。これは、
光導波層を量子井戸層の成長に先立って選択成長すれ
ば、すべての結晶成長が２回で済むため容易に作製でき
ること、また光吸収層での光吸収遷移過程で軽い正孔が
生成されることから前述のように高速・低チャープ化な
らびに低電圧駆動化に有利なことなど、結論として理想
的な集積化光源である。これに、上述の共鳴トンネリン
グ効果を採用すればさらに高速化できることはもちろ
ん、さらにチャーピング低減に有効な窓構造や斜め導波
路を採用することで、１０Ｇｂ／ｓを越える伝送レート
の光ファイバ通信システムに対応する集積化光源の実現
が期待できる。
【００１５】
【実施例】以下に本発明を図面を用いて詳細に説明す
る。図１は本発明の第１の実施例である半導体光変調器
の構造を説明する図である。その製造方法を工程順に説
明する。
る。図１は本発明の第１の実施例である半導体光変調器
の構造を説明する図である。その製造方法を工程順に説
明する。
【００１６】まず、ｐ−ＩｎＰ基板１０１の上にアンド
ープＩｎＰ下部クラッド層１０２、アンドープＭＱＷ光
吸収層１０３（量子井戸層数：７層、量子井戸層：厚さ
７０ＡのＩｎＧａＡｓ、バリア層：波長組成１．１５μ
ｍで厚さ１１０ＡのＩｎＧａＡｓＰ）、アンドープＩｎ
Ｐ上部クラッド層１０４、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０５
を下から順に０．１μｍ、０．３μｍ、０．１μｍ、
０．２μｍの厚さに形成し、スラブ光導波路とする。な
お、量子井戸層には１．２％の引っ張り歪を加えてお
く。この上に、幅３μｍのストライプ状の開口部を有す
るＳｉＯ2 膜１０６を形成する。これをマスクとして、
断面形状が台形で層厚が１．２μｍのｎ−ＩｎＰリッジ
層１０７を、引き続いてその頂上部に厚さ０．３μｍの
ｎ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０８をＭＯＶＰＥを
用いて選択成長する。最後にこのｎ+−ＩｎＧａＡｓコ
ンタクト層の上およびｐ−ＩｎＰ基板の裏面にＴｉ／Ａ
ｕ電極１０９，１１０を形成する。
ープＩｎＰ下部クラッド層１０２、アンドープＭＱＷ光
吸収層１０３（量子井戸層数：７層、量子井戸層：厚さ
７０ＡのＩｎＧａＡｓ、バリア層：波長組成１．１５μ
ｍで厚さ１１０ＡのＩｎＧａＡｓＰ）、アンドープＩｎ
Ｐ上部クラッド層１０４、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０５
を下から順に０．１μｍ、０．３μｍ、０．１μｍ、
０．２μｍの厚さに形成し、スラブ光導波路とする。な
お、量子井戸層には１．２％の引っ張り歪を加えてお
く。この上に、幅３μｍのストライプ状の開口部を有す
るＳｉＯ2 膜１０６を形成する。これをマスクとして、
断面形状が台形で層厚が１．２μｍのｎ−ＩｎＰリッジ
層１０７を、引き続いてその頂上部に厚さ０．３μｍの
ｎ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０８をＭＯＶＰＥを
用いて選択成長する。最後にこのｎ+−ＩｎＧａＡｓコ
ンタクト層の上およびｐ−ＩｎＰ基板の裏面にＴｉ／Ａ
ｕ電極１０９，１１０を形成する。
【００１７】光変調器に逆方向バイアス電圧を印加する
と、ＭＱＷ光吸収層でのＱＣＳＥによって吸収係数が大
幅に増加する。この際、光吸収遷移過程で多数の電子−
軽い正孔対が形成されるが、重い正孔に比べて軽い正孔
の場合には有効質量がほぼ１／１０であること、価電子
帯のバンド不連続が小さいことなどの点で量子井戸層内
に蓄積されにくい。このため従来の半導体基板に格子整
合されたＭＱＷ構造光変調器に比べて高速応答・低チャ
ープ性に優れ、消光比の飽和傾向も改善される。
と、ＭＱＷ光吸収層でのＱＣＳＥによって吸収係数が大
幅に増加する。この際、光吸収遷移過程で多数の電子−
軽い正孔対が形成されるが、重い正孔に比べて軽い正孔
の場合には有効質量がほぼ１／１０であること、価電子
帯のバンド不連続が小さいことなどの点で量子井戸層内
に蓄積されにくい。このため従来の半導体基板に格子整
合されたＭＱＷ構造光変調器に比べて高速応答・低チャ
ープ性に優れ、消光比の飽和傾向も改善される。
【００１８】図２〜図５は本発明の第２の実施例である
集積化光源の構造を説明する図である。その製造方法を
工程順に説明する。
集積化光源の構造を説明する図である。その製造方法を
工程順に説明する。
【００１９】まず、ｐ−ＩｎＰ基板２０１の上に周期２
４００Ａの回折格子２０２を部分的に形成する（図
２）。この上に、幅２μｍのストライプ状の開口部を有
するＳｉＯ2 膜２０３を形成する（図３）。なお、この
開口部両脇のＳｉＯ2 膜幅は、回折格子を設けたＤＦＢ
−ＬＤ領域２０４で１０μｍ、回折格子を設けない光変
調器領域２０５で４μｍである。このＳｉＯ2 膜２０３
を成長阻害マスクとして、波長組成１．３μｍのｐ−Ｉ
ｎＧａＡｓＰ光導波層２０７、アンドープＩｎＰスペー
サ層２０８、アンドープＭＱＷ活性層２０９（量子井戸
層数：７層、量子井戸層：ＩｎＧａＡｓ、バリア層：波
長組成１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ）、ｎ−ＩｎＰ上
部クラッド層２１０を、それぞれ０．１μｍ、０．１μ
ｍ、０．３μｍ、０．８μｍの厚さにＭＯＶＰＥを用い
てこの開口部に選択的に成長する（図４）。この際、選
択成長されたアンドープＭＱＷ活性層２０９がＤＦＢ−
ＬＤ領域２０４で０．８％引っ張り歪みが加わり、同時
に光変調器領域２０５において外部電界を印加しない状
態で軽い正孔が共鳴トンネリングする条件である量子井
戸層厚５０Ａ、障壁層厚７０Ａを満たすように成長条件
を設定する。開口部両脇のＳｉＯ2 膜２０３を内側から
１μｍずつエッチングにて除去し、ｐ−ＩｎＰ基板２０
１の表面を一部露出させる。この上に、前記選択成長層
を覆うように厚さ１μｍのｎ−ＩｎＰ埋め込み層２１１
を、引き続いてその頂上部に厚さ０．３μｍのｎ+ −Ｉ
ｎＧａＡｓコンタクト層２１２を選択成長する。ＤＦＢ
−ＬＤ領域２０４と光変調器領域２０５の電気的分離を
確保するため、両者の間のｎ+ −ＩｎＧａＡｓコンタク
ト層２１２を長さ２５μｍにわたって除去する。最後
に、ｎ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１２およびｐ−
ＩｎＰ基板２０１の裏面にＴｉ／Ａｕ電極２１３，２１
４を形成する（図５）。ＤＦＢ−ＬＤ領域２０４に電流
を注入すると引っ張り歪を加えたアンドープＭＱＷ活性
層２０９からＴＭモードのレーザ発振が得られる。この
光はほとんど散乱を受けずに光変調器領域２０５にほぼ
完全に結合される。光変調器領域２０５に逆方向バイア
ス電圧を印加すると、実施例１で説明したように光吸収
遷移の過程で発生したキャリアは量子井戸内から容易に
引き抜くことが可能となり、高速・低チャープ集積化光
源として用いることができる。
４００Ａの回折格子２０２を部分的に形成する（図
２）。この上に、幅２μｍのストライプ状の開口部を有
するＳｉＯ2 膜２０３を形成する（図３）。なお、この
開口部両脇のＳｉＯ2 膜幅は、回折格子を設けたＤＦＢ
−ＬＤ領域２０４で１０μｍ、回折格子を設けない光変
調器領域２０５で４μｍである。このＳｉＯ2 膜２０３
を成長阻害マスクとして、波長組成１．３μｍのｐ−Ｉ
ｎＧａＡｓＰ光導波層２０７、アンドープＩｎＰスペー
サ層２０８、アンドープＭＱＷ活性層２０９（量子井戸
層数：７層、量子井戸層：ＩｎＧａＡｓ、バリア層：波
長組成１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ）、ｎ−ＩｎＰ上
部クラッド層２１０を、それぞれ０．１μｍ、０．１μ
ｍ、０．３μｍ、０．８μｍの厚さにＭＯＶＰＥを用い
てこの開口部に選択的に成長する（図４）。この際、選
択成長されたアンドープＭＱＷ活性層２０９がＤＦＢ−
ＬＤ領域２０４で０．８％引っ張り歪みが加わり、同時
に光変調器領域２０５において外部電界を印加しない状
態で軽い正孔が共鳴トンネリングする条件である量子井
戸層厚５０Ａ、障壁層厚７０Ａを満たすように成長条件
を設定する。開口部両脇のＳｉＯ2 膜２０３を内側から
１μｍずつエッチングにて除去し、ｐ−ＩｎＰ基板２０
１の表面を一部露出させる。この上に、前記選択成長層
を覆うように厚さ１μｍのｎ−ＩｎＰ埋め込み層２１１
を、引き続いてその頂上部に厚さ０．３μｍのｎ+ −Ｉ
ｎＧａＡｓコンタクト層２１２を選択成長する。ＤＦＢ
−ＬＤ領域２０４と光変調器領域２０５の電気的分離を
確保するため、両者の間のｎ+ −ＩｎＧａＡｓコンタク
ト層２１２を長さ２５μｍにわたって除去する。最後
に、ｎ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１２およびｐ−
ＩｎＰ基板２０１の裏面にＴｉ／Ａｕ電極２１３，２１
４を形成する（図５）。ＤＦＢ−ＬＤ領域２０４に電流
を注入すると引っ張り歪を加えたアンドープＭＱＷ活性
層２０９からＴＭモードのレーザ発振が得られる。この
光はほとんど散乱を受けずに光変調器領域２０５にほぼ
完全に結合される。光変調器領域２０５に逆方向バイア
ス電圧を印加すると、実施例１で説明したように光吸収
遷移の過程で発生したキャリアは量子井戸内から容易に
引き抜くことが可能となり、高速・低チャープ集積化光
源として用いることができる。
【００２０】
【発明の効果】以上に示したように、本発明による半導
体光変調器は、高速・低チャープ性に優れ駆動電圧の低
減も可能であることなど、次世代の幹線系光ファイバ通
信システムに用いる光変調器や、またはＤＦＢレーザと
モノリシック集積した集積化光源などの光源デバイス、
さらには受光素子として同様な構造を有する導波型ｐｉ
ｎ受光器などに応用することができる。
体光変調器は、高速・低チャープ性に優れ駆動電圧の低
減も可能であることなど、次世代の幹線系光ファイバ通
信システムに用いる光変調器や、またはＤＦＢレーザと
モノリシック集積した集積化光源などの光源デバイス、
さらには受光素子として同様な構造を有する導波型ｐｉ
ｎ受光器などに応用することができる。
【図１】本発明の第１の実施例である半導体光変調器の
構造を説明する断面図である。
構造を説明する断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例である集積化光源の構造
を説明する図である。
を説明する図である。
【図３】本発明の第２の実施例である集積化光源の構造
を説明する図である。
を説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施例である集積化光源の構造
を説明する図である。
を説明する図である。
【図５】本発明の第２の実施例である集積化光源の構造
を説明する図である。
を説明する図である。
１０１ ｐ−ＩｎＰ基板 １０２ アンドープＩｎＰ下部クラッド層 １０３ アンドープＭＱＷ光吸収層 １０４ アンドープＩｎＰ上部クラッド層 １０５ ｎ−ＩｎＰクラッド層 １０６ ＳｉＯ2 膜 １０７ ｎ−ＩｎＰリッジ層 １０８ ｎ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層 １０９，１１０ Ｔｉ／Ａｕ電極 ２０１ ｐ−ＩｎＰ基板 ２０２ 回折格子 ２０３ ＳｉＯ2 膜 ２０４ ＤＦＢ−ＬＤ領域 ２０５ 光変調器領域 ２０７ 波長組成１．３μｍのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光
導波層 ２０８ アンドープＩｎＰスペーサ層 ２０９ アンドープＭＱＷ活性層 ２１０ ｎ−ＩｎＰクラッド層 ２１１ ｎ−ＩｎＰ埋め込み層 ２１２ ｎ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層 ２１３，２１４ Ｔｉ／Ａｕ電極
導波層 ２０８ アンドープＩｎＰスペーサ層 ２０９ アンドープＭＱＷ活性層 ２１０ ｎ−ＩｎＰクラッド層 ２１１ ｎ−ＩｎＰ埋め込み層 ２１２ ｎ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層 ２１３，２１４ Ｔｉ／Ａｕ電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｈ０１Ｌ 31/10
Claims (9)
- 【請求項１】 量子井戸層において伝導帯の電子と価電
子帯の軽い正孔との間の光吸収遷移エネルギーが基底エ
ネルギーである量子井戸構造の光吸収層と、該光吸収層
に電界を印加するための電極構造とを半導体基板上に備
えることを特徴とする半導体光変調器。 - 【請求項２】 量子井戸層において価電子帯の軽い正孔
または重い正孔がある一定の外部電界を印加した場合に
障壁層を挟んで隣接する別の量子井戸層に共鳴トンネリ
ングする層構造を有する多重量子井戸構造の光吸収層
と、該光吸収層に電界を印加するための電極構造とを少
なくとも半導体基板上に備えることを特徴とする半導体
光変調器。 - 【請求項３】 量子井戸層において伝導帯の電子と価電
子帯の軽い正孔との間の光吸収遷移エネルギーが基底エ
ネルギーでありかつ該量子井戸層に平行に入射した光を
吸収する多重量子井戸構造の光吸収層と、該光吸収層に
電界を印加するための電極構造とを半導体基板上に備え
ることを特徴とする半導体光検出器。 - 【請求項４】 量子井戸層において伝導帯の電子と価電
子帯の軽い正孔との間の光吸収遷移エネルギーが基底エ
ネルギーである多重量子井戸構造の光吸収領域と、該量
子井戸層に垂直な方向の偏波面を持つ光を発振しかつ該
光吸収領域の長手軸方向に隣接した活性層と、該光吸収
領域に電界を印加しまた該活性領域に電流を注入するた
めの電極構造とを少なくとも半導体基板上に備えること
を特徴とする集積化光源。 - 【請求項５】 活性領域が少なくともこれを単一軸モー
ド発振させるための構造を備えることを特徴とする請求
項４に記載の集積化光源。 - 【請求項６】 光導波層が回折格子がない領域側の半導
体基板端面の手前で途切れた窓構造を備えることを特徴
とする請求項４に記載の集積化光源。 - 【請求項７】 光導波層がこれの長手軸方向を半導体基
板端面の法線方向に対して５゜以上傾けて配置されたこ
とを特徴とする請求項４に記載の集積化光源。 - 【請求項８】 光吸収層がこれにある一定の外部電界を
印加した場合に障壁層を挟んで隣接する別の量子井戸層
に軽い正孔が共鳴トンネリングする層構造を備えること
を特徴とする請求項４に記載の集積化光源。 - 【請求項９】 半導体材料を用いた集積化光源の製造方
法であって、半導体基板上に部分的に回折格子を形成す
る工程と、該半導体基板上にストライプ状の開口部を有
しかつ該開口部両脇の部分の幅を該回折格子のある領域
において該回折格子の無い領域におけるよりも広くした
誘電体膜を形成する工程と、該開口部に光導波層とそれ
に引き続いて該回折格子を設けた領域でＴＭ発振する程
度まで量子井戸層に引っ張り歪を加えた多重量子井戸構
造を選択的に一括成長する工程と、該誘電体膜を該開口
部側より部分的に除去して該半導体基板の一部を露出さ
せる工程と、この工程に引き続いて、前記選択成長した
該光導波層と該多重量子井戸構造を覆うクラッド層を選
択成長する工程と、該回折格子を設けた部分と設けない
部分にそれぞれ電流を注入または電界を印加するための
電極構造を形成する工程とからなることを特徴とする集
積化光源の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4276591A JPH06102476A (ja) | 1992-09-21 | 1992-09-21 | 半導体光変調器、半導体光検出器ならびに集積化光源とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4276591A JPH06102476A (ja) | 1992-09-21 | 1992-09-21 | 半導体光変調器、半導体光検出器ならびに集積化光源とその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06102476A true JPH06102476A (ja) | 1994-04-15 |
Family
ID=17571587
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4276591A Withdrawn JPH06102476A (ja) | 1992-09-21 | 1992-09-21 | 半導体光変調器、半導体光検出器ならびに集積化光源とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06102476A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001189519A (ja) * | 1999-12-28 | 2001-07-10 | Toshiba Corp | 半導体レーザ装置 |
| JP2010283104A (ja) * | 2009-06-04 | 2010-12-16 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光半導体装置 |
| JP2013165288A (ja) * | 2013-04-19 | 2013-08-22 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光半導体装置 |
| CN108400523A (zh) * | 2018-05-10 | 2018-08-14 | 厦门市芯诺通讯科技有限公司 | 一种高速集成dfb半导体激光器芯片及制备方法 |
-
1992
- 1992-09-21 JP JP4276591A patent/JPH06102476A/ja not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001189519A (ja) * | 1999-12-28 | 2001-07-10 | Toshiba Corp | 半導体レーザ装置 |
| JP2010283104A (ja) * | 2009-06-04 | 2010-12-16 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光半導体装置 |
| JP2013165288A (ja) * | 2013-04-19 | 2013-08-22 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光半導体装置 |
| CN108400523A (zh) * | 2018-05-10 | 2018-08-14 | 厦门市芯诺通讯科技有限公司 | 一种高速集成dfb半导体激光器芯片及制备方法 |
| CN108400523B (zh) * | 2018-05-10 | 2023-10-27 | 厦门市炬意科技有限公司 | 一种高速集成dfb半导体激光器芯片及制备方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19991130 |