JPS59181317A - 光変調素子 - Google Patents

光変調素子

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JPS59181317A
JPS59181317A JP58056947A JP5694783A JPS59181317A JP S59181317 A JPS59181317 A JP S59181317A JP 58056947 A JP58056947 A JP 58056947A JP 5694783 A JP5694783 A JP 5694783A JP S59181317 A JPS59181317 A JP S59181317A
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JP
Japan
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layer
substrate
optical waveguide
type
light
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Application number
JP58056947A
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Kunio Tada
多田 邦雄
Yoshikazu Nishiwaki
西脇 由和
Haruji Matsuoka
松岡 春治
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Priority to CA000450919A priority patent/CA1212749A/en
Publication of JPS59181317A publication Critical patent/JPS59181317A/ja
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (7)  技  術  分  野 この発明は、化合物半導体で作られた2本の平行導波路
に光を通し、光導波路に変調電圧を加えることにより、
光強度を変化させるようにした光変調素子に係る。
(イ) 従来技術とその問題点(1) 十分接近して平行に配置された光導波路に光を通すと、
光導波路間の結合のため、光エネルギーが導波路間でや
りとりされる。光が、先導波路内を進行するに従い、一
方の導波路の光のエネルギーの一部又は全部が他方の導
波路へ移行する。さらに光が進行すると、再ひもとの先
導波路へ光のエネルギーが戻ってくる。このように、光
の進行に伴って、光のエネルギーは、光導波路間を往復
運動する。
光導波路が電気光学効果を有する物質で作られている場
合、光導波路に電圧を加えると、光導波路の屈折率が印
加電圧に応じて変化する。すると、結合状態も変化する
ので、印加電圧によって、光導波路間の光エネルギーの
やりとりを制御できる。
一本の先導波路の出力光は、印加電圧の変動に応して変
化する。従って、互に結合した平行光導波路に電圧を印
加することにより、光変調素子を構成する事がてきる。
このような光変調素子として第41図りこ示すものが知
られている。
光変調素子30は、L i Nbo 3基板31の表面
Gこ、チタンTiを選択拡散して、屈折率の高(、z部
分を作り、2本の光導波路32.33を形成してGする
光導波路32.33の上には電極34.35を設ける。
変調用電圧36.37を′電極34.354こ印加して
、光導波路32.33の屈折率を相反0勺に変化させる
2本の光導波路32.33は十分近接しており、光エネ
ルギーのやりとりがなされる。変調電圧番こ応して、結
合状態が変化し、光強度が変化する。
しかし、この光変調素子30には次のような欠点があっ
た。
(1)  印加電圧が光導波路32.33の部分にたけ
がある。Lil’JbO3基板と、Tiを選択拡散した
光導波路32.33の部分に、抵抗率の道かないので、
電圧の大部分はLiNbO3基板に加わる。変調に必要
な電圧は小さい方か良い。
(2)光導波路32.33と電極34.35か接触して
いるため、光の吸収損失か大きい。
(3)基板がLiNbO5であり、化合物半導体ではな
いから、光源、受光器なとの光回路素子とともに、この
変調素子を同一基板]二に設けることができない。すな
わちモノリシック光集積回路の構成素子として使うこと
ができない。
(つ) 従来技術とその間照点(2) 化合物半導体、例えばGaAs基板を用いた、モノリシ
ック化をめざす光変調素子が提案されている。
第5図は公知の光変調素子40の斜視1ズである。
n型GaAs基板41の上に、i型GaAs層42を設
け、さらに、この上に2本のp型GaAsよりなる線路
43.44を平行に形成する。基板41と、線路43.
44の」二に、′電極45.4B、47を設ける。
i型(真性半導体) GaAs層42は、高抵抗である
ので、光を閉じこめることができ、光導波層として機能
する。
さらに、i型GaAs層42の上に、ρ型GaAsの線
路43.44が設けられているから、この直下の領域4
9.50は等価的に屈折率が高くなる。光は、この領域
に閉じこめられるから、49.50は先導波路となる。
電極45を接地し、電極46.47に直流負電圧を印加
し、さらに変調電圧をこれに相加する。
pn接合は逆バイアスされるから電流は流れない。
光導波路49.50はキャリヤの少いi型GaAsであ
るから、電圧の大部分は、光導波路に加わり、基板41
、線路43.44には殆ど電圧は加わらない。
この光変調素子は、GaAs基板を用いているから、モ
ノリシック光集積回路を構成すべき素子として利用でき
る。光導波路となる領域49.50が電極46.47と
離れているため、電極金属による光の吸収損失が少い。
印加電圧の大部分が光導波路領域49.50に加わる。
このような利点があった。
しかし、欠点もあった。
光変調素子40を製作するには、n型GaAsウェハー
に、1型GaAs 1m 42及びp型GaAs層をエ
ピタキシャル成長させる。この後、p型GaAs層をエ
ツチングして、2本の線路状にp型層を残して、線路4
3.44とする。
p型、低型層の境界まで正確にエツチングできるのが理
想的である。しかし、同じGaAs結晶であるから、エ
ツチング速度は変らない。p型、i型というのは不純物
濃度の差によるもので、エツチング速度に殆と差が現わ
れない。そ、こて、エツチング時間を一定にして、p型
層、i型層の境界まで、p型層の線路43.44以外の
部分をエツチング除去するようにしている。
エツチング過剰であると、i層をエツチングしてしまう
から、2つの光導波領域49.51Jの間のi層がなく
なり、導波路間の結合が生じない。
1層が除去されないように、エツチングを過少にすると
、p層が1層の上に残ってしまう。第6図はそのような
エツチング不足の状態に対応する光変調素子の断面図で
ある。
p型線路43.44の両側に、残留p層51.52.5
3が存在する。p層は、比抵抗がi層に比して小さいの
で、残留p層51〜53、線路4344はほぼ同電位に
なる。電圧は、広く1層とn型基板41の間に加わる。
もはや光導波領域49.50だけに、集中的に電圧を印
加する事ができない。
pn結合を逆バイアスするための直流分の電圧は、広く
、p層とn型基板の間に加わり、i層全体に印加される
変調電圧は直流分と異なり、電極43.44へ、反対の
極性で与えられる。この交流分は、しかしながら、抵抗
の低い、中間の残留p層52によって短絡される事にな
る。従って、変調電界は、光導波領域49.50へは殆
ど入ってゆかない。つまり、変調できなくなる。
このように、第5図に示す光変調素子40は、エツチン
グ工程が微妙であって、製作が難しがった。
光導波路に要求される性質は、この変調素子に於て、 (1)光導波層に光を閉じこめることができる。
(2)印加電圧の大部分が光導波層に局所的に加わる0 という事である。第5図の公知例では、光を閉じこめる
ため、GaAs結晶中に、キャリヤ密度の差を作り、キ
ャリヤ密度の低い部分の屈折率が高くなることを利用し
ている。このため、p  f  n構造となっていた。
条件(1)を満すため、キャリヤ密度の差を用いている
のである。
(2)の条件は、各層の比抵抗、つまりキャリヤ密度に
直接関係する。i層(真性半導体)はn層p層に比して
比抵抗が大きい。i層を光導波路とする場合、これは(
2)の条件と矛盾するわけではない。
ρ−I −n層が積層している時、pn接合に逆方向電
圧をかけた場合、i層に大部分の電圧が加わるからであ
る。
この公知技術は、(1)、(2)の条件を同時に満足す
るため、GaAs結晶内にキャリヤ密度の差を巧妙に作
り出している。
しかし、2つの条件を満すために、ひとつのパラメータ
を使うのみであるから、パラメータが足りない。制御性
が良くない。
先に述べた、エツチング工程の難しさは、結局、パラメ
ータが足りない、という事に起因する。
先導波路に要求される(1)、(2)の条件を別々のパ
ラメータを操作することにより、互に独立に満足させる
ようにすれば良い。
本発明者はこう考えた。
≠)本発明の光変調素子 GaAs単結晶と、GaI  X AJI!xAs結晶
とは、結晶構造、格子間隔、熱膨張などがほぼ同一であ
るから、GaAs基板の上にGal  XAβ、xAS
のエピタキシャル層を設けて光素子が作られる。GaA
sの方が屈折率が大きいので一5GaAsをGa1− 
x AlxAsの層で挾むと、GaAsに光を閉じこめ
る事ができる。この性質はダブルへテロレーザダイオー
ドなどで既に利用されている。
Xの値が増加するとともに、Gal  xA#)(As
の屈折率は低下する。
本発明は、光を導波層内に閉じこめるために、結晶の成
分比を変える。結晶成分比をパラメータとして利用する
わけである。
先述の条件の(2)は、比抵抗の問題に帰着する。
これは光導波層の比抵抗が低いことを要求している。条
件(2)に対しては、それゆえキャリヤ密度をパラメー
タとして用いることにする。
本発明の光変調素子はpn接合部を持たない。各層に於
けるキャリヤの種類は共通である。全ての層をn型半導
体層で、又はp型半導体層で構成する。生粉体層の性質
を決定するパラメータは、Ga、。
AIの成分比と、キャリヤ密度である。
第1図は本発明の光変調素子の縦断斜視図である。
光変調素子は、下から順に、 (1)  オーミック電極5 (2)基板n+(p層) A11FGax−uAs 1
(3)基板層   n”、 (p” )   AJ?x
Ga1−  X As  ’1(4)  光導波層  
n (p、)    AjlizGal  zAs、 
 3(5)  バッファ層  n(ρ)    A%G
a1  yAs  4(6)  ショットキー電極  
            6によって、構成されている
光導波層3は、光を強く閉じこめるために、これを挾む
バッファ層4、基板層2より、屈折率が十分に、少なく
とも0゜1%程度以上高くなくてはならない。これは、
2をX%Yより十分、小さくすることに等しい。
基板層2があるので、基板1の成分比は任意であること
になる。基板1としてはGaAsウニノー−が入手しや
すいので、例えば基板1をGaAs−、光導波路3をG
aAsとすることもできる。このような場合、基板層2
、バッファ層4のA4の比率XN Yが正の値であれば
、光導波層3に光を強く閉じこめることができる。
基板層2は、このように、基板1のA4の比率Uが、光
導波層3のAIの比率2より大きくすることができない
場合にはじめて必要となる。
z < uとなるA4比率を有する基板1を使うものと
すれば、基板層2を省くこともできる。
n、pはそれぞれn型半導体、p型半導体を示す。n+
、ρ十はキャリヤ密度がn1pより特に大きい部分を示
す。n (p)とあるのは、n型でも、ρ型でもよい、
という事であるが、これらが混在してはいけない。全て
の層がn型である(n+−n+−n−n)か、又は全て
の層がp型である(p”−p十−ρ−p)ことが必要で
ある。
キャリヤ密度は、基板層2、基板1に於て大きい。例え
ば〜10  /cd程度とする。
光導波路3、バッファ層4に於て、キャリヤ密度は小さ
い。例えば、〜1015/C−程度とする。
光導波層3は、上面で2本の近接した平行線路の一部に
なっており、線路部分の上に、2本の薄いバッファ層が
エピタキシャル成長して設ケチする。
平面状の光導波層3の中でも、バッファ層4の直下の導
波線路部分7.7の等側屈折率が高くなり、光は導波線
路部分7.7に局在する。
バッファ層4とこの上の電極6はショットキー接触して
いる。電極6をショットキー電極とするため、電極6の
拐質は例えばAIである。
基板1につけた電極5はオーミック接触する電極でこれ
は、例えばAu又はAu −Ge合金を使う。
基板1の電極5に対し、ショットキー電極6には、負の
直流電源10によってバイアス負電圧を印加する。変調
電圧源11は、いずれか一方のショットキー電極6に、
或は異なる極性のものを2つ用意して、双方のショット
キー電極6.6に相加える。
Gt)  ・作    用 光導波層3のAe比率2は、バッファ層4、基板層2の
A4比率より低いから、屈折率がこれら両側の層より十
分大きいので、光を光導波層3の中へ強く閉じこめるこ
とができる。
光が通過する導波線路部分7.7は光導波層3によって
つながっているから、結合作用があり、光エネルギーを
交換できる。
バッファ層4は、光と金属電極とを離隔し、金属電極に
よる光の吸収損失を低減する。
この光変調素子はpn接合部がない。しかし、電極6は
バッファ層4とショットキー接触しており、負の電圧は
、ショットキー電極6に加える。電流は殆ど流れない。
変調電圧は、比抵抗の大きいバッファ層と先導波層に加
わる。特に、バッファ層4.4直下の導波゛路部分7.
7に大部分の電圧が加わる。
(力)効 果 本発明の光変調素子は、光導波層内に光を閉じこめるた
めに、A(1% Gaの成分比を変化させている。印加
電圧が先導波層へ主に印加されるため、光導波層3とバ
ッファ層4のキャリヤ密度を低くしている。
本発明の優れた特徴は、バッファ層のエツチングに関し
、厳しい条件が課されない、という事である。バッファ
層4と光導波層3の境界まで過不足なくエツチングする
、という事は特に要求されない。
第2図の断面図に示すように、エッチング不足で、バッ
ファ層が広く残っていたとする。電圧を電極間に印加し
た時、バッファ層4は高抵抗であるから、残留バッファ
層12.13.14が、線路部分のバッファ層と同電位
にならず、従って、光導波層3の導波線路部分7以外に
は強い電界が加わらない。
基板層2、基板1は低抵抗であるから、電圧は、この部
分には殆ど加わらない。
バッファ層4をエツチングする工程が、より容易になる
。バッファ層4を過不足なく除去しなければならない、
という事かないからである。これが、第5図に示す従来
例の素子に勝る特長である。
バッファ層は光を電極から遠ざけるものであるので、極
めて薄いもので良い。
バッファ層の厚みdを変えて、光の長手方向の減衰係数
αを調べた結果を第3図に示しである。
バッファ層、基板層のA4成分比VEKはともに0.0
4又は0.08の場合のグラフである。基板、光導波層
はGaAsである( u = z = 0 ) 。光の
波長は11−067zである。
光の減衰係数αは、光導波路を通る光の強度が長手方向
へ伝搬するに従い減衰してゆく程度を表わす(単位はp
n  )。
バッファ層の厚みが0.3μjn程度以上であれば、吸
収損失が十分小さくなることが分る。
(ト)  実   施   例 ひとつの実施例を示す。各層は、 基   板     GaAs 基板層  AI  Ga  As O,840,96 先導波層   GaAs        厚さ1.5μ
mバ’/7ア層  A、g   Ga   As   
厚さく1.4 tttn004   006 線路の間隔  5   4μm 線路の幅   IVI     4 lbm線路の高さ
  HO,5μm である。x = y = 0.04、u = z = 
0の例である。
素子の長さしは7.41111である。
基板、基板層の電子密度は2X10 m である。
バッファ層、光導波層の電子密度は5X10cIRであ
る。比抵抗はそれぞれ6X10−3鎗、6X10”Ωα
であった。
スイッチング電圧は11v1容量は2.OpFであった
。変調帯域ΔfはL2GHzで、変調光出力/帯域比P
/Δfは100μw/l■Hzの光変調素子を得ること
ができた。
実施例をGaAs系について説明したが−,lnP系等
の化合物半導体についても同種構造の素子を考える小が
できる。
汐)  用     途 単体で、光通信の送信素子としての発光素子の外部変調
に利用することができる。
アナログ波形のサンプラ、レーザプリンタ、光ディスク
の変調素子として使用できる。
また、光集積回路の中の機能素子のひとつとして利用す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の光変調素子の縦断斜視図。 第2図はバッファ層のエツチングが不足で、バッファ層
が光導波層の上に残っている状態を示す光変調素子の縦
断正面図。 第3図はバッファ層の厚みと、光の電極による吸収損失
の関係を示すグラフ。横軸はバッファ層の厚み(μPn
)、縦軸は、減衰係数11(m  )である。 第4図はLil”JbO1基板にTiを選択拡散して作
った公知の光変調素子の縦断斜視図。 第5図はpin接合を有するGaAs結晶で作製した光
変調素子の縦断斜視図。 第6図は第5図の光変調素子に於て、ρ型層のエツチン
グが不足でi型層の上に広く残っている状態を示す縦断
正面図。 1  ・・・・・・・・・  基        板2
  ・・・・・・・・・  基   板   層3  
・・・・・・・・・  光  導  波  層4 ・・
・・・・・・・ バッファ層 5 ・・・・・・・・・ オーミック電極6  ・・・
・・・・・・ ショットキー電極7 ・・・・・・・・
・ 光導波線路部分10  ・・・・・・  直  流
  電  源11  ・・・・・・変調電圧源 4 手続補正書(自発) 昭和59年2月18、日 し −を 特許庁長官若  杉  和  夫 殿 1、事件の表示 特願昭 58 − 56947 2、発明の名称 光変調素子 3、補正をする者 事件との関係  特許出願人 居 所大阪市東区北浜5丁目15番地 名 称(213)住友電気工業株式会社代表者社長 川
 −ヒ 哲 部 4、代 理 人 弓537 住 所 大阪市東成区中道3丁目15番16号6 補正
の内容 (1)「特許イ11求の範囲」については別紙のとおり
。 (2)  明細書第10頁第8行目 「比抵抗が低いととJとあるのを 「比抵抗が大きいこと」と訂正する。 (3)  同書第10頁第14行目 1半へγ体層」とあるのを 「半導体層」と訂正する。 (4)同書第12頁第11行目 +7    3 [−〜107cm Jとあるのを [107cm Jと訂正する。 (5)同也第12頁第13行目 「〜10/crn」とあるのを、 「10/cノn」と訂正する。 (6)同書第16頁第16行目 5−3 r2X10側 」とあるのを、 「5×1017C7n」ト訂正スル。 (7)同書第16頁第17行目 174 r5X 10 an  Jとあるのを 5−3 「2×1ocm」と訂正する。 (8)同書第16頁第18行目 「比抵抗はそれぞれ6×1o Ωan Jとあるのを、 「比抵抗はそれぞれ4×1o 0cm Jと訂正する。 (9)  同書第16頁第21行目 「変調光出力」とあるのを、 「変調電力」と訂正する。 特許請求の範囲 化合物半導体結晶よりなり高いキャリヤ密度を有する基
板1と、爪板1の上に設けられ化合物半導体結晶よりな
り高いキャリヤ密度を有する基板層2と、基板層2の上
に設けられた化合物半導体結晶よりなり低いキャリヤ密
度を有する光導波層3と、光導波層3の上に互に平行で
十分近接して設けられ化合物半導体結晶よシなシ低いキ
ャリヤ密度を有する2本のバッファ層4.4と、基板1
にオーミック接触する電極5と、バッファ層4.4とシ
ョットキー接触する電極6.6とよシなり、基板1、基
板層2、光導波層3、バッファ層4.4は全てn型半導
体、又は全てp型半導体であって、光導波層3の屈折率
は基板層2、バッファ層よシ、0.1%程度高くしであ
る事を特徴とする光変調素子。 手続補正書旧発) 昭和59年4月 611 特許庁長官 若  杉  和  夫 殿1、事件の表示 特願昭58−56947 2、発明の名称 光変調素子 3補正をする者 事件との関係  特許出願人 居 所 大阪市東区北浜5丁目15番地名 称 (21
3)住友電気工業株式会社代表者社長 川  上  哲
  部 4代 理 人 @537 住 所 大阪市東成°区中道3丁目15番16号毎日東
ビル704 雷06 (974)6321明細書の「発
明の詳細な説明」の欄 6、補正の内容 (1)「特許請求の範囲」については別紙のとおシ。 (2)明細書第16頁第21行目 「変調光出力」とあるのを「変調駆動電力」と訂正する
。 特許請求の範囲 化合物半導体結晶よりなシ高いキャリヤ密度を有する基
板1と、基板1の上に設けられ化合物半導体結晶よりな
り高いキャリヤ密度を有する基板層2と、基板層2の上
に設けられた化合物半導体結晶よシなシ低いキャリヤ密
度を有する光導波層3と、光導波層3の上に互に平行で
十分近接して設けられ化合物半導体結晶よシなシ低いキ
ャリヤ密度を有する2本のバッファ層4.4と、基板1
にオーミック接触する電極5と、バッファ層4.4とシ
ョットキー接触する電極6.6とよりなり、基板1、基
板層2、光導波層3、バッファ層4.4は全てn型半導
体、又は全てp型半導体であって、光導波層3の屈折率
は基板層2、バッファ層4より、少なくとも0.1%程
度以上高くしである事を特徴とする光変調素子。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 化合物半導体結晶よりなり高いキャリヤ密度を一部する
    基板1と、基板1の上に設けられ化合物半導体結晶より
    なり高いキャリヤ密度を有する基板層2と・基板層2の
    上に設けられた化合物半導体結晶よりなり低いキャリヤ
    密度を有する光導波層3と、光導波層3の上に互に平行
    で十分近接して設けられ化合物半導体よりなり低いキャ
    リヤ密度を有する2本のバッファ層4.4と、基板1に
    オーミック接触する電極5と、バッファ層4.4とショ
    ットキー接触する電極6.6とよりなり、基板1、基板
    層2、光導波層3、バッファ層4.4は全てn型半導体
    、又は全てρ型半導体であって、光導波層3の屈折率は
    基板J’fJ 2 、バッファ層4より、0.1%程度
    高くしである率を特徴とする光変調素子。
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