JPH07270731A - 導波型半導体光変調器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 導波型半導体光変調器の導波モード条件を改
善することにより、入出力用の光ファイバとの間の結合
損失を低減し、かつ、素子容量を小さくする。 【構成】 リッジ形状に構成される光導波構造１６ａ，
１８ａが単一導波モード条件を満たすようになし、かつ
この導波モード条件に影響を与えない程度にリッジ形状
から離れた領域での導電型の上部クラッド層を除去した
もの１６ｂとする。これにより、結合損失の低減、ＤＣ
逆バイアス特性の改善、高速変調を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は導波型半導体光変調器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】光信号の強度変調を行う導波型半導体光
変調器として、従来より、図３に示すように、ｎ型の基
板１０上にｎ型の下部クラッド層１２とｉ型の光導波層
１４とを設け、リッジ領域においてｉ型の上部第一クラ
ッド層１６ａとｐ型の上部第二クラッド層１８、ｐ型の
コンタクト層２０、リッジのない領域においてｉ型の上
部第一クラッド層１６ｂとを設け、またリッジ上部およ
び基板裏面にオーミック電極２２、２４を設け、ｉ型の
光導波層１４における電界印加時の吸収係数変化を利用
することにより強度変調を行うようにしたもの、が知ら
れている。 例えば、次記文献では、大きな吸収係数変
化を得るために、組成・層厚の調整されたＩｎＧａＡｓ
／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸構造を用い、７Ｖの電圧印
加で２０ｄＢの消光比が得られいて、また同時に、ｐ型
の層領域をリッジ内にのみ設けることにより素子容量の
低減を行い、その結果、数１０ＧＨｚもの高速変調を実
現している。 文献：IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.3, NO.
2 pp138-140,1991

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな導波型半導体光変調器では、超高速変調が実現でき
る反面、各層組成・層厚・リッジ高さ・リッジ幅などの
各構造パラメ−タが、単一導波モード条件を満たすよう
に設定されていないため、次記（イ）、（ロ）のような
の問題があった。 （イ）導波モ−ドのリッジ領域内への閉じ込め効果が強
いために、入出力用の単一モード光ファイバとの間に大
きなモードミスマッチを引き起こしており、結合損失の
低減には限界がある。 （ロ）信号光を単一モ−ド光ファイバから光変調器の基
本モ−ドに対して入力する際の位置調整がきわめて難し
く、また、この調整が良好でない限り、モ−ドプロファ
イルの拡がりが大きく、かつ印加電界の影響の小さい高
次モードへの光結合が必ず存在することになるので、良
好な消光比特性を得ることができない。このような問題
点を解決するためには、単一導波モード条件を満足する
ようにするような導波構造を採用する必要がある。この
ための具体的な設計方法として以下の２つが考えられ
る。第一の方法は、図３の構造において、リッジ形状に
隣接する領域でのｉ型の上部第一クラッド層１６ｂの層
厚ｈ３を大きくし光の閉じ込めを弱めることにより単一
導波モード化を図ることである。具体的な設定値として
Ｗを 2.0μm とした場合、ｈ３はＴＥモード光に対して
0.25μm 以上とすればよい。しかしながら、この方法
では、リッジ直下の全ノンドープ層厚（光導波層１４＋
上部第一クラッド層１６ａ）が厚くなるので、一定電圧
印加時の生成内部電場が小さくなってしまう。これは一
定の消光比を得るのに必要な駆動電圧が大きくなること
を意味している。よってこの方法は前記の導波モードに
関する問題点を解決することはできるが、新たな問題点
（駆動電圧の増大）を発生させることになるので有効と
は言えない。第二の方法は、図４に示すように、リッジ
形状に隣接する領域におけるｐ型の上部クラッド層１８
ｂの層厚ｈ４を大きくすることで単一導波モード化を図
ることである。この場合、ｉ型の上部第一クラッド層は
なくてもよい。この方法ではリッジ直下の全ノンドープ
層厚を薄くすることができるので、駆動電圧の低減も可
能になる。しかしながら、この方法では素子の上部表面
全域にわたってｐ型の上部第二クラッド層が広がってい
るため、素子容量の増大を招く。このため、良好な高速
変調特性を得ることが難しいので、本方法もまた導波型
半導体光変調器の特性向上という面で有効とは言えな
い。従って、本発明は、前述の導波モード条件を改善
し、かつ素子容量を抑えた導波型半導体光変調器の構造
を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、光導波層上
に、ｉ型の上部クラッド層を介しまたは介さずして、導
電型の上部クラッド層が積層された導波型半導体光変調
器であって、導電型のこの上部クラッド層は、第一幅と
それより広い第二幅とを有する２段階のリッジ形状とし
たものである。第一の発明は、ｉ型の上部クラッド層を
設けていないものであり、導電型の当該上部クラッド層
において前記第二幅を有する部分は、光導波路が疑似的
に単一導波モード条件を満足するように、厚さ及び幅を
設定してあるものである。また、望ましくは、光導波層
においても、その一部または全部が、第二幅と等しい幅
を有するリッジ形状とするものである。第二の発明は、
ｉ型の上部クラッド層を有するものであり、このｉ型の
上部クラッド層は、その一部または全部が、第二幅と等
しい幅を有するリッジ形状としたものである。更に、ｉ
型及び導電型の両上部クラッド層において前記第二幅を
有する部分は、光導波路が疑似的に単一導波モード条件
を満足するように、厚さ及び幅を設定してあるものであ
る。

【０００５】

【作用】導電型の上部クラッド層を２段階のリッジ形状
とし且つ上部クラッド層の薄い部分の厚さを適当に厚く
且つ幅を適当に広く設定することにより、狭いリッジ領
域内への導波モードの閉じ込め効果が弱くなるので、単
一導波モード条件を満たすようにすることができる。他
方、２段階のリッジ形状とすることにとって素子容量の
増加を招くが、光ファイバと光変調器内の基本モードと
の間の光結合に対する影響の小さい領域における上部ク
ラッド層を除去することにより、すなわち、光導波路が
疑似的に単一導波モード条件を満足する程度に、導電型
上部クラッド層、ｉ型上部クラッド層、層を制限する
（第二幅）ことにより、１０GHz 程度の帯域を有する高
速変調を実現することができる。

【０００６】

【実施例】図１は本発明の第一実施例を示す要部断面図
であり、この第一実施例は、ｉ型の上部第一クラッド層
を設けた場合の例を示すものであり、また、基板として
ｎ型ＩｎＰを用い、また、光導波層を、材料としてＩｎ
ＧａＡｓ／ＩｎＰを用いて量子井戸構造とした場合につ
いて示したものである。次に、図１を参照し、製造工程
に沿って、第一実施例の構造を説明する。まず、ｎ型Ｉ
ｎＰ基板１０を用意する。この基板の厚みは数１００μ
m とする。次に、基板１０上に順次に、ｎ型ＩｎＰ下部
クラッド層１２（層厚 1.0μm ：キャリア密度 5×10**
17 cm-3）、ｉ型ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ光導波層１４
（層厚 0.15μm：キャリア密度 1×10**16 cm-3 以
下）、ｉ型ＩｎＰ上部第一クラッド層１６（層厚 0.10
μm：キャリア密度 1×10**16 cm-3 以下）、ｐ型Ｉｎ
Ｐ上部第二クラッド層１８（層厚 2.0μm：キャリア密
度 5×10**17 cm-3）、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２０（層厚 0.1μm：キャリア密度 5 ×10**18 cm-3 ）
をＭＯＣＶＤ (Metalorganic Chemical Vapor Depositi
on) 法により、単結晶状に成長する。なお、ｉ型ＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＰ光導波層１４は９ペアのＩｎＧａＡｓ井
戸層 75 Å、ＩｎＰ障壁層 100Åからなる。また、結晶
成長時に使用するドーパントはｎ型として Si、ｐ型と
して Zn とする。また、**はベき乗を、cm-3は立法セン
チ当たりを、表わす。

【０００７】次に、リッジ状のレジストパターンをフォ
トリソグラフィー技術により作製する。この際、パター
ン幅（Ｗ１）を 2.0μm とする。このレジストパターン
を用いたエッチングにより、レジストパターンで覆われ
ていない領域においてコンタクト層２０から上部第二ク
ラッド層１８の一部までを除去することで上部第二クラ
ッド層１８ｂを形成するとともに、レジストパターンで
覆われた領域にリッジ形状のコンタクト層２０、上部第
二クラッド層１８ａを形成する。この際、上部第一クラ
ッド層１６および上部第二クラッド層１８ｂの層厚の和
ｈ１は、ここまでの段階で形成されているリッジ形状か
らなる光導波構造が単一導波モード条件を満たすように
設定する。具体的には、例えば 0.3μm 程度あるいはそ
れ以上の値にすればよい。形成後、レジストは除去す
る。

【０００８】次に、先に形成したリッジ形状の中心軸に
合わせて幅がＷ２のレジストパターンをフォトリソグラ
フィー技術により形成する。Ｗ２の設定は後述の理由に
より10μm とする。このレジストパターンを用いてエッ
チングすることにより、レジストパターンで覆われてい
ない領域において上部第二クラッド層１８ｂを除去す
る。この際、上部第二クラッド層１８ｂの下層にある上
部第一クラッド層１６の一部または全部、あるいはさら
に下層の光導波層１４、下部クラッド層１２まで合わせ
て除去してもよい。例えば上部第二クラッド層１６の一
部まで除去した場合、除去した領域に上部第一クラッド
層１６ｂが形成されるとともに、レジストパターンで覆
われた領域に、リッジ形状のコンタクト層２０、上部第
二クラッド層１８ａ、上部第一クラッド層１６ａからな
る構造、及び上部第二クラッド層１８ｂ、上部第一クラ
ッド層１６ａからなる構造が形成される。形成後、レジ
ストパターンは除去する。次に、フォトリソグラフィー
技術とリフトオフ技術によりコンタクト層１８上部にオ
ーミック電極２２を形成する。また前記工程の後、基板
１０の裏面を研磨した上でオーミック電極２４を形成す
る。以上の工程により第一実施例に示す導波型半導体光
変調器が実現される。

【０００９】図２は本発明の第二実施例を示す要部断面
図であり、この第二実施例は、ｉ型の上部第一クラッド
層を設けない場合の例を示したものである。この第二実
施例は前記の第一実施例とほぼ同様の作製工程により実
現される。ただし、１回目のエッチングはレジストパタ
ーンで覆われていない領域においてコンタクト層２０か
ら上部第二クラッド層１８の一部までを除去することに
よりこの領域に層厚ｈ２の上部第二クラッド層１８ｂを
形成するとともに、レジストパターンで覆われた領域に
リッジ状のコンタクト層２０、上部第二クラッド層１８
ａを形成する。この際、上部第二クラッド層１８ｂの層
厚ｈ２はここまでの段階で形成されたリッジ形状からな
る光導波構造が単一導波モード条件を満たすように設定
する。具体的には、第一実施例と同様に例えば 0.3 μm
程度あるいはそれ以上の値にすればよい。また、２回
目のエッチングにおいてレジストパターンで覆われてい
ない領域の上部第二クラッド層１８ｂを除去するが、こ
の際、下層の光導波層１４、下部クラッド層１２までの
一部、または全部を除去してもかまわない。例えば光導
波層１４の一部まで除去した場合、除去した領域に光導
波層１４ｂが形成されるとともに、レジストパターンで
覆われた領域に、リッジ状のコンタクト層２０、上部第
二クラッド層１８ａ、光導波層１４ａからなる構造、及
び上部第二クラッド層１８ｂ、光導波層１４ａからなる
構造が形成されることになる。

【００１０】ここで、Ｗ２の設定に関して述べる。上記
２つの実施例は、素子全体の構造として厳密には単一導
波モード条件を満足していない。しかし、一般に信号光
の入出力インターフェイスとして光ファイバを用いるこ
とから、上記実施例におけるＷ２を光ファイバからの
（光ファイバへの）信号光の空間的強度分布に対する２
段目の側壁の影響が小さくなる程度に大きな値に設定す
れば、疑似的にではあるが、単一モード導波条件を満足
するものとみなせる。Ｗ２は、光ファイバのコア径が 1
0μmとすると入力信号光の分布が 20μm 程度と考えら
れることから、この値と同程度とすればよい。一方、良
好な高速変調特性を得るためには、素子容量を低く抑え
る必要がある。上記実施例の構造では、幅Ｗ２、素子長
Ｌにわたってｐ型上部第二クラッド層が広がっており、
この積（Ｗ２×Ｌ）が素子容量に比例する。よって素子
長Ｌが一定の場合、Ｗ２は極力小さくする必要がある。
例えば１０ＧＨｚの変調を実現するためには素子容量を
１ｐＦ程度以下にしなければならない。これを上記実施
例で実現するためには素子長Ｌ 100μm の場合で、Ｗ２
を 10μm以下にする必要がある。本実施例におけるＷ２
は上記の条件が両方とも満足されるように設定しなけれ
ばならないので、前述の通り、例えば 10μm とした。

【００１１】第一実施例及び第二実施例として説明した
導波型半導体光変調器の長所をまとめると次のとおりで
ある。 (a) 光ファイバとの結合：素子構造の設計を光ファイバ
と基本モードで結合できるように設計しているので、結
合損失の低減が期待できる。 (b) ＤＣ逆バイアス特性：本実施例ではｉ型の層厚を薄
くすることができることから、一定電圧印加に対する生
成内部電場を大きくすることができる。また、一般にＰ
ＩＮ構造の半導体内ではＩ領域近傍にポテンシャル電位
差によって生成される電場が存在する。Ｐ、Ｎ両層の組
成が一定であればＩ層厚を小さくするほど生成電場を大
きくすることができる。これは導波型光変調器の外部電
圧印加時の消光特性において０Ｖの位置を逆バイアス側
にシフトさせることを意味する。変調器の消光特性は一
般にスーパーリニアであることから、上記のことは一定
電圧印加に対する消光が大きな動作領域を外部からのオ
フセット電圧なしで利用することが可能であることを示
す。 (c) 高速変調特性：高速変調特性については、素子容量
を１ｐＦ程度以下になるように素子構造を設計している
のでおよそ１０ＧＨｚまでの動作が期待できる。

【００１２】なお本発明は上記実施例にのみ限定される
ものではなく、従って本発明と同様の構造を有する導波
型半導体光変調器について、各構成部分の構成、材料組
成、導電型、形状、寸法、数値的条件、およびそのほか
の条件を任意好適に変更できる。また、本実施例は光導
波層１４の組成を変更するだけで光位相変調用の導波型
半導体光変調器に適用できる。

【００１３】

【発明の効果】本発明は、導電型の上部クラッド層を２
階段のリッジ形状とし且つその幅を制限しているため、
導波モード条件を改善さｒ且つ素子容量が抑えられたも
のとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の要部断面図

【図２】本発明の第１実施例の要部断面図

【図３】従来技術の説明図

【図４】従来技術の説明図

【符号の説明】

１０ 基板 １２ 下部クラッド層 １４ 光導波層 １６ 上部第１クラッド層 １６ａ、１６ｂ 上部第１クラッド層 １８ 上部第２クラッド層 １８ａ、１８ｂ 上部第２クラッド層 ２０ コンタクト ２２、２４ オーミック電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光導波層上に、導電型の上部クラッド層
   が積層された導波型半導体光変調器であって、 前記上部クラッド層は、第一幅とそれより広い第二幅と
   を有する２段階のリッジ形状とされ、 当該上部クラッド層において前記第二幅を有する部分
   は、光導波路が疑似的に単一導波モード条件を満足する
   ように、厚さ及び幅を設定してある、ことを特徴とした
   導波型半導体光変調器。
2. 【請求項２】 光導波層上に、順次、ｉ型の上部第一ク
   ラッド層と導電型の上部第二クラッド層とが積層された
   導波型半導体光変調器であって、 前記上部第二クラッド層は、第一幅とそれより広い第二
   幅とを有する２段階のリッジ形状とされ、 前記上部第一クラッド層は、その一部または全部が、前
   記第二幅と等しい幅を有するリッジ形状とされ、 前記上部第一クラッド層及び前記上部第二クラッド層に
   おいて前記第二幅を有する部分は、光導波路が疑似的に
   単一導波モード条件を満足するように、厚さ及び幅を設
   定してある、ことを特徴とした導波型半導体光変調器。