JPH08122719A - 半導体光位相変調器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速動作が可能であり、かつ歩留りを向上さ
せることができる半導体光位相変調器を提供すること。 【構成】 ｐ−ＩｎＰ半導体基板１０上に、基板側から
順に、ｐ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層２０、多重量子井戸
層３０、アンドープト−ＩｎＡｌＡｓクラッド層４０、
ｎ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層５０、ｎ−ＩｎＧａＡｓキ
ャップ層６０が形成されている。また、基板１０の面方
位は、（００１）面であるため、基板１０上に形成され
る各層の面方位も（００１）面である。また、アンドー
プト−ＩｎＡｌＡｓクラッド層４０、ｎ−ＩｎＡｌＡｓ
クラッド層５０、ｎ−ＩｎＧａＡｓキャップ層６０は、
ケミカルエッチングによって、軸の方向、つまり光が伝
搬する方向が〈１１０〉方向となるようにストライプ状
に形成されている。この方向にストライプ領域を形成し
た場合、逆台形状、つまり逆メサ構造になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光通信システム等に
用いられる半導体光位相変調器に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速、大容量、長距離光伝送システムに
おいては、高速動作が可能で、かつ駆動電圧が低い外部
光変調器が有用である。この種の外部光変調器の一つと
して、光位相変調器が知られ、例えば、文献１：「特開
平３−５３２２５」に開示されている。

【０００３】以下、この文献に開示されている光位相変
調器について簡単に説明する。

【０００４】面方位が（００１）面であるｎ−ＩｎＰ半
導体基板上に、基板側から順に、ｎ−ＩｎＡｌＡｓクラ
ッド層、多重量子井戸層、アンドープト（ｕｎｄｏｐｅ
ｄ）−ＩｎＡｌＡｓクラッド層、ｐ−ＩｎＡｌＡｓクラ
ッド層、ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層が形成されてい
る。多重量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓからなる量子井戸
層と、ＩｎＡｌＡｓからなる障壁層とを交互に積層した
アンド−プトＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸
構造の半導体層により構成されている。つまり、アンド
−プトＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸層とア
ンドープト−ＩｎＡｌＡｓクラッド層とをｎ−ＩｎＡｌ
Ａｓクラッド層とｐ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層とにより
挟んだｐ−ｉ−ｎ構造で構成されている。また、アンド
ープト−ＩｎＡｌＡｓクラッド層、ｐ−ＩｎＡｌＡｓク
ラッド層、ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層は、メサ状に形
成されている。

【０００５】さらに、基板の下面にはｎ型電極、キャッ
プ層の上面にはｐ型電極が形成されている。

【０００６】そして、この素子に電界を印加したとき、
アンドープト−ＩｎＡｌＡｓクラッド層において支配的
に生じる電気光学効果による屈折率変化と、多重量子井
戸層において支配的に生じる電界吸収効果による屈折率
変化との極性を同じにし、位相変調の効率を上げ、光の
位相が変調されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】面方位が（００１）面
であるｎ型基板を用いる場合、アンドープト−ＩｎＡｌ
Ａｓクラッド層における電気光学効果による屈折率変化
と、多重量子井戸層（以下、ＭＱＷ層と称する場合があ
る。）における電界吸収効果による屈折率変化との極性
を同じにするためには、光が伝搬する方向を〈−１１
０〉方向または〈１−１０〉方向にとるのが好ましい。
この場合、通常行われるケミカルエッチングによって光
が導波するストライプ領域を形成すると、台形状、つま
り順メサ構造になる。

【０００８】一般に、１．５５μｍ帯の光が横シングル
モードで導波するためには、多重量子井戸層の厚みを考
慮すると、ストライプの幅は少なくとも２μｍ以下にし
なければならない。従って、ケミカルエッチングによっ
て光が導波するストライプ領域を作製するためのマスク
の幅は、経験的に１μｍ程度に制御する必要がある。し
かし、マスクの幅を１μｍ程度に制御することは困難で
ある。このため、この半導体光位相変調器の作製の歩留
りを向上させることが難しい。

【０００９】また、マスクの幅を１μｍ程度に制御する
と、ケミカルエッチング後のキャップ層の面積が小さく
なる。そのため、電極とのコンタクト面積が小さくなり
オーミック抵抗が高くなる。

【００１０】さらに、従来の半導体光位相変調器では、
ｎ型基板を用いるため、上側電極はｐ型となる。通常得
られるコンタクト抵抗は、ｐ型では１×１０^-4Ωｃｍ^-2
である。これを長さ２００μｍ、ストライプ幅３μｍの
場合について当て嵌め、オーミック抵抗を計算すると約
１７Ωとなる。

【００１１】図２には、この光位相変調器の等価回路図
を示している。この等価回路において、上側電極と下側
電極を含めたその間に、上側電極側から配線のインダク
タンスＬ１，インダクタンスＬ２および抵抗５０Ωの直
列回路があり、Ｌ１とＬ２との接続中点と下側電極との
間にキャパシタンスＣ_p と抵抗Ｒ_s およびｉ層のキャパ
シタンスＣ_j の直列回路との並列回路がある。

【００１２】また、図３は、ｉ層にかかる電圧の周波数
特性を示す図であり、この図では、オーミック抵抗を変
化させた場合の周波数特性を示してある。そこで、同図
において、縦軸には、ある変調周波数ｆでのｉ層にかか
る電圧を変調周波数ｆ＝０Ｈｚでのｉ層にかかる電圧で
割った値を電圧比（ｄＢ単位で示す。）としてとり、横
軸には変調周波数ｆ（ＧＨｚの単位で示す。）をとって
示している。ただし、配線のインダクタンスＬ１、Ｌ２
はそれぞれ０．２５ｎＨ、電極間のキャパシタンスＣ_p
は０．０４ｐＦ、ｐ−ｉ−ｎ構造のｉ層のキャパシタン
スＣ_j は０．４ｐＦとし、オーミック抵抗Ｒ_s は、０、
５、１０、１５、２０Ωとした。なお、図２中、曲線ａ
はオーミック抵抗が０Ω、曲線ｂはオーミック抵抗が５
Ω、曲線ｃはオーミック抵抗が１０Ω，曲線ｄはオーミ
ック抵抗が１５Ω，曲線ｅはオーミック抵抗が２０Ωの
場合をそれぞれ示す。

【００１３】この図３からも理解出来るように、ｆ＝０
（ＧＨｚ）のときの電圧比（以下、電圧降下と表す場合
もある。）は、いずれの場合も０（ｄＢ）であり、ｆが
増大するに従って、電圧比はなだらかに減少していき、
負の大きな値となる。オーミック抵抗Ｒ_s が大きいほ
ど、同じｆの値における減少の度合も大である。

【００１４】半導体光位相変調器を高速作動させるため
には、変調周波数ｆの帯域を広くとる必要がある。今、
仮に、例えば、−３ｄＢの電圧降下をもって変調周波数
帯域の目安とする場合を考える。ｎ型基板を用いるとす
ると、オーミック抵抗が数十Ωとなる。その結果、図３
から理解できるように、約−３ｄＢの電圧降下では変調
周波数帯域を約２０ＧＨｚ以上にすることは困難であっ
た。従って、半導体光位相変調器の高速特性を向上させ
ることは困難であった。

【００１５】従って、高速動作が可能であり、また、歩
留りを向上させることができる半導体光位相変調器の出
現が望まれていた。

【００１６】

【課題を解決するための手段】図３から理解できるよう
に、オーミック抵抗Ｒ_s が、０、５、１０、１５、２０
Ωと増加するに従い、例えば、約−３ｄＢの電圧比で半
導体光位相変調器を作動させる場合の変調周波数帯域は
約２７（ＧＨｚ）、約２４（ＧＨｚ）、約２１，５（Ｇ
Ｈｚ）、約１９（ＧＨｚ）、約１６．５（ＧＨｚ）とい
うように急速に小さくなる。これより、オーミック抵抗
が小さいほど、応答の高速特性が向上するということが
示唆される。

【００１７】一方、素子に電界を印加したとき、アンド
ープト−クラッド層とアンドープト−多重量子井戸層の
屈折率が変化することが知られている。

【００１８】このような検討の結果から、発明者等はオ
ーミック抵抗を小さくし、かつアンドープト−クラッド
層とアンドープト−多重量子井戸層に電界を印加したと
き生じる２つの屈折率変化、すなわち、アンドープト−
ＩｎＡｌＡｓクラッド層において支配的に生じる電気光
学効果による屈折率変化と、多重量子井戸層において支
配的に生じる電界吸収効果による屈折率変化との極性を
同じにし、位相変調の効率を上げれば、上述した従来の
問題点の解決が図れるという結論に達した。

【００１９】従って、この発明の半導体光位相変調器に
よれば、基板と、基板の上側に第１クラッド層と、第１
クラッド層の上側に光導波路層と、光導波路層の上側に
第２クラッド層と、第２クラッド層の上側に第３クラッ
ド層と、上側および下側電極とを具え、上側および下側
電極に印加する電界によって、光導波路層および第２ク
ラッド層の屈折率を変化させて入射光の位相を変化させ
る半導体光位相変調器において、基板を閃亜鉛鉱型のＰ
型半導体基板とし、第１クラッド層をＰ型クラッド層と
し、光導波路層をアンドープト（ｕｎｄｏｐｅｄ）−多
重量子井戸層とし、第２クラッド層をアンドープト（ｕ
ｎｄｏｐｅｄ）−クラッド層とし、第３クラッド層をＮ
型クラッド層とし、光導波路層における屈折率変化分の
極性と第２クラッド層における屈折率変化分の極性とが
同一になるような方位に光が伝搬するように光導波路層
および第２クラッド層を形成したことを特徴としてい
る。

【００２０】この発明の好適実施例では、基板の上面の
面方位が（１００）面、（０１０）面および（００１）
面のうちのいずれか１つの面とし、光導波路層および第
２クラッド層中を伝搬する光の方向を、基板の面方位が
（１００）面の場合は〈０１１〉方向または〈０−１−
１〉方向、基板の面方位が（０１０）面の場合は〈１０
１〉方向または〈−１０−１〉方向、基板の面方位が
（００１）面の場合は〈１１０〉方向または〈−１−１
０〉方向とするのが良い。

【００２１】なお、例えば、〈０−１１〉方向の「−
１」は１のバーを便宜的に表している。

【００２２】

【作用】この発明では、電界吸収効果によって付随的に
生じる屈折率変化の極性と、電気光学効果による屈折率
変化の極性とを同じにし、総屈折率変化量を増大し、位
相変調の効率を上げ、光の位相が変調されている。

【００２３】先ず、電界吸収効果（ＥＡ効果）について
簡単に説明する。ＥＡ効果は、あるバンドギャップエネ
ルギーＥ_g0を持つ半導体を、Ｅ_g0よりも小さいフォトン
エネルギーＥ_inの光が通過する場合において、半導体に
電界をかけたときにフォトンエネルギーＥ_inにおける吸
収係数が大きくなるとともに、屈折率も変化する現象で
ある。

【００２４】一般に、ＥＡ効果を用いて光に位相変調を
かける場合、被変調光が、ＥＡ効果によって受ける屈折
率変化の符号は、プラスである。なお、ＥＡ効果によっ
て生じる屈折率変化の大きさは、導波方向や印加電界の
向きによらない。

【００２５】次に、電気光学効果（ＥＯ効果）について
簡単に説明する。ＥＯ効果は、結晶に電界を印加したと
きに屈折率が変化する現象であり、この変化は印加電圧
が大きいほど大きくなる。

【００２６】図４に屈折率変化量Δｎの方向依存性を、
縦軸に屈折率変化量Δｎをとり、横軸に入射光がＴＥ偏
波である場合の偏波方向と光導波路の方向とをとって示
している。なお、図４には、ｒ₄₁＝１．４×１０^-10 ｃ
ｍ／Ｖ、ｎ₀ ＝３．２とし、電界Ｅ_x を〈００−１〉方
向に印加した場合における、いくつかの電界Ｅ_x につい
ての結果を示している。図４中、曲線ｆは電界が０Ｖ／
ｃｍ、曲線ｇは電界が０．１×１０⁵ Ｖ／ｃｍ、曲線ｈ
は電界が０．５×１０⁵ Ｖ／ｃｍ、曲線ｉは電界が１．
０×１０⁵ Ｖ／ｃｍ、曲線ｊは電界が１．５×１０⁵ Ｖ
／ｃｍの場合である。

【００２７】図４からも理解できるように、電界が変化
しても屈折率変化量ΔｎがΔｎ＝０となる偏波方向は同
じであるが、電界が大きくなるにしたがって、同一の偏
波方向におけるΔｎの値は大きくなってくる。

【００２８】すなわち、図４から理解できるように、導
波光がＥＯ効果によって受ける屈折率変化量Δｎは、印
加電界の大きさと向き、および偏波方向、つまり導波路
の方向によって決まる。この変化量Δｎがプラスの最大
となる導波路の方向は、〈１１０〉方向とまたは〈−１
−１０〉方向である。

【００２９】従って、この発明では、ｐ型基板を用いて
いるので、オーミック抵抗が実質的に０Ωとなる。した
がって、例えば、約−３ｄＢの電圧比で半導体光位相変
調器を作動させる場合、変調周波数帯域は約２８ＧＨｚ
である。さらに、この発明によれば、ｐ型基板の面方位
を、例えば（００１）面とした場合には、導波路の方向
は〈１１０〉方向または〈−１−１０〉方向にしてある
ので、ＥＡ効果によって付随的に生じる屈折率変化のプ
ラスとＥＯ効果による屈折率変化との極性を同じにする
ことによって、総屈折率変化量を大きくすることが可能
となり、位相変調の効率を上げることができる。

【００３０】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例を
説明する。これらの図面において、各構成成分は、この
発明が理解出来る程度に各構成成分の形状、大きさ、お
よび配置関係を概略的に示してあるにすぎない。

【００３１】図１は、この発明の実施例である半導体光
位相変調器を構成する素子の要部を取り出して示す概略
的斜視図である。ｐ−ＩｎＰ半導体基板１０上に、基板
側から順に、ｐ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層２０、多重量
子井戸層３０、アンドープト−ＩｎＡｌＡｓクラッド層
４０、ｎ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層５０、ｎ−ＩｎＧａ
Ａｓキャップ層６０が形成されている。多重量子井戸層
は、例えば、厚さ７０〜９０ÅのＩｎＧａＡｓからなる
量子井戸層と、例えば、ＩｎＡｌＡｓからなる障壁層と
を交互に積層したアンド−プトＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌ
Ａｓ多重量子井戸構造の半導体層により構成されてい
る。そして、各層は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ
法）により形成される。さらに、基板の下面にはｐ型の
下側電極７０、キャップ層の上面にはｎ型の上側電極８
０が形成されている。

【００３２】また、基板１０の面方位は、例えば、（０
０１）面であるため、基板１０上に形成される各層の面
方位も（００１）面である。電界は逆バイアス電圧を印
加することによって生じる。従って、電界は〈００−
１〉方向にかかる。

【００３３】また、アンドープト−ＩｎＡｌＡｓクラッ
ド層４０、ｎ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層５０、ｎ−Ｉｎ
ＧａＡｓキャップ層６０は、ケミカルエッチングによっ
て、ストライプ状に形成されている。このストライプ領
域の軸の方向、つまり光が伝搬する方向は、例えば、
〈１１０〉方向である。そして、この方向にストライプ
領域を形成した場合、逆台形状、つまり逆メサ構造にな
る。このため、ケミカルエッチングによって光が導波す
るストライプ領域を形成するためのマスクの幅を制御す
ることが容易になる。従って、この半導体光位相変調器
の作製の歩留りを向上させることが可能になる。

【００３４】この実施例では、ｐ型基板１０を用いてい
るため、素子最上部のキャップ層（オーミックコンタク
ト層と称する場合もある。）６０がｎ型になっている。
通常、ＩｎＧａＡｓキャップ層がｐ型である場合には電
極としてＡｕＺｎを用い、ｎ型である場合には電極とし
てＡｕＧｅＮｉを用いることが多い。この２つの電極の
コンタクト抵抗を比較すると、ｎ型の場合の方が、ｐ型
の場合に比べて２桁程度小さいことが知られ（例えば、
文献２：「ｐｈｙｓｉｃｓ＆Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｓｅ
ｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ， Ｔ
ａｂｌｅ８」）、通常得られるコンタクト抵抗は、ｎ型
では、１×１０^-6Ωｃｍ^-2である。これを、長さ２００
μｍ、ストライプ幅３μｍの場合について当てはめオー
ミック抵抗を計算すると、約０．１７Ωとなり、ほとん
ど０Ωと考えられる。

【００３５】したがって、例えば、約−３ｄＢの電圧比
で半導体光位相変調器を作動させる場合、図３に示すよ
うに上側電極８０がｐ型の場合に比べて、変調周波数ｆ
の帯域は約１０ＧＨｚ向上する。つまり、上側電極８０
のオーミック抵抗値を極めて小さくできるため、２０Ｇ
Ｈｚ以上の広帯域な変調特性が期待出来る。つまり、応
答の高速特性が向上する。

【００３６】また、この実施例では、面方位が（００
１）面のｐ型基板１０を用いているため、電界は〈００
−１〉方向にかかる。従って、ｐ型基板１０を用いてＥ
Ａ効果にともなって生じるプラスの屈折率変化とＥＯ効
果による屈折率変化との極性を同じにするには、光導波
路の形成方向はＥＯ効果による屈折率変化がプラスとな
る〈１１０〉方向または〈−１−１０〉方向にすればよ
い。この方向に光導波路を形成すれば、総屈折率変化量
を大きくすることが可能となり、位相変調の効率を上げ
ることができる。

【００３７】また、閃亜鉛鉱型の結晶構造をもつ半導体
では、一次の電気光学係数ｒ₅₂、ｒ₆₃はｒ₄₁と等しい。
したがって、面方位が（１００）面である基板や、面方
位が（０１０）面である基板についても上述した面方位
が（００１）面の場合と同様の効果を得ることが出来
る。表１に、基板の面方位がそれぞれ（１００）面、
（０１０）面、（００１）面の場合について、電界の印
加方向と光導波路の形成方向について示している。基板
の面方位が（１００）面の場合には、電界の印加方向
は、〈−１００〉方向であり、光導波路の形成方向は、
〈０１１〉方向または〈０−１−１〉方向である。ま
た、基板の面方位が（０１０）面の場合には、電界の印
加方向は、〈０−１０〉方向であり、光導波路の形成方
向は、〈１０１〉方向または〈−１０−１〉方向であ
る。また、基板の面方位が（００１）面の場合には、電
界の印加方向は、〈００−１〉方向であり、光導波路の
形成方向は、〈１１０〉方向または〈−１−１０〉方向
である。

【００３８】

【表１】

【００３９】この発明は、上述した実施例に限定される
ものではないことは明らかである。

【００４０】

【発明の効果】上述した説明から明らかなように、この
発明の半導体光位相変調器によれば、上側電極はｎ型で
あるため、オーミック抵抗値を極めて小さく出来る。従
って、半導体光位相変調器の高速特性を向上させること
ができる。

【００４１】また、素子に電界を印加したとき、アンド
ープト−ＩｎＡｌＡｓクラッド層において支配的に生じ
る電気光学効果による屈折率変化と、多重量子井戸層に
おいて支配的に生じる電界吸収効果による屈折率変化と
の極性は同じである。このため、位相変調の効率を上が
り、光の位相が変調される。

【００４２】また、ケミカルエッチングによって形成さ
れるストライプ領域は、逆台形状、つまり逆メサ構造に
なる。このため、ケミカルエッチングによって光が導波
するストライプ領域を形成するためのマスクの幅を制御
することが容易になり、半導体光位相変調器の作製の歩
留りを向上させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に用いた半導体光位相変調器を構成する
素子の要部を取り出して示す概略的斜視図である。

【図２】図１の半導体光位相変調器の等価回路図であ
る。

【図３】図１の半導体光位相変調器を構成するｉ層にか
かる電圧の周波数特性である。

【図４】屈折率変化量の方向依存性を示す曲線図であ
る。

【符号の説明】

１０：ｐ−ＩｎＰ半導体基板 ２０：ｐ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層 ３０：多重量子井戸層 ４０：アンドープト−ＩｎＡｌＡｓクラッド層 ５０：ｎ−ＩｎＡｌＡｓクラッド層 ６０：ｎ−ＩｎＧａＡｓキャップ層（オーミックコンタ
クト層） ７０：下側電極 ８０：上側電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板の上側に第１クラッド層
   と、該第１クラッド層の上側に光導波路層と、該光導波
   路層の上側に第２クラッド層と、該第２クラッド層の上
   側に第３クラッド層と、上側および下側電極とを具え、
   該上側および下側電極に印加する電界によって、該光導
   波路層および該第２クラッド層の屈折率を変化させて入
   射光の位相を変化させる半導体光位相変調器において、 前記基板を閃亜鉛鉱型のＰ型半導体基板とし、 前記第１クラッド層をＰ型クラッド層とし、 前記光導波路層をアンドープト（ｕｎｄｏｐｅｄ）−多
   重量子井戸層とし、 前記第２クラッド層をアンドープト（ｕｎｄｏｐｅｄ）
   −クラッド層とし、 前記第３クラッド層をＮ型クラッド層とし、 前記光導波路層における屈折率変化分の極性と前記第２
   クラッド層における屈折率変化分の極性とが同一になる
   ような方位に光が伝搬するように前記光導波路層および
   前記第２クラッド層を形成したことを特徴とする半導体
   光位相変調器。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体光位相変調器に
   おいて、 前記基板の上面の面方位が（１００）面、（０１０）面
   および（００１）面のうちのいずれか１つの面とし、 前記光導波路層および前記第２クラッド層中を伝搬する
   光の方向を、前記基板の面方位が（１００）面の場合は
   〈０１１〉方向または〈０−１−１〉方向、前記基板の
   面方位が（０１０）面の場合は〈１０１〉方向または
   〈−１０−１〉方向、前記基板の面方位が（００１）面
   の場合は〈１１０〉方向または〈−１−１０〉方向とす
   ることを特徴とする半導体光位相変調器。