JPWO2004081638A1 - 半導体光変調器 - Google Patents
半導体光変調器 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2004081638A1 JPWO2004081638A1 JP2005503564A JP2005503564A JPWO2004081638A1 JP WO2004081638 A1 JPWO2004081638 A1 JP WO2004081638A1 JP 2005503564 A JP2005503564 A JP 2005503564A JP 2005503564 A JP2005503564 A JP 2005503564A JP WO2004081638 A1 JPWO2004081638 A1 JP WO2004081638A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- optical modulator
- semiconductor
- semiconductor optical
- type
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 336
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 181
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 114
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 3
- 230000010365 information processing Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 39
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 17
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 17
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 8
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 8
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 229910013641 LiNbO 3 Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000005697 Pockels effect Effects 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000005701 quantum confined stark effect Effects 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 235000002911 Salvia sclarea Nutrition 0.000 description 1
- 244000182022 Salvia sclarea Species 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
- G02F1/01708—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells in an optical wavequide structure
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference
- G02F1/225—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference in an optical waveguide structure
- G02F1/2257—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference in an optical waveguide structure the optical waveguides being made of semiconducting material
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Description
電界吸収型光変調器とマッハツェンダ型光変調器が、代表的な半導体光変調器として知られている。
電界吸収型光変調器は、たとえば、バルク半導体のフランツケルディッシュ効果(Franz−Keldysh効果)や多重量子井戸構造における量子閉じ込めシュタルク効果(Quantum Confined Stark Effect:QCSE)のような、電界を印加することにより吸収端が長波長側へシフトする効果を利用した光変調器である。
また、マッハツェンダ型光変調器は、バルク半導体の電気光学効果(ポッケルス効果)や多重量子井戸構造における量子閉じ込めシュタルク効果のように電界を印加することにより屈折率が変化する効果を利用した光変調器である。
電界吸収型光変調器は、消費電力が小さく、小型であり、LN変調器にみられるような直流電圧によるドリフトも生じないことから、有望な光変調器と考えられている。しかし、電界吸収型光変調器は、変調時に生じた波長チャーピングにより、ファイバ伝送後の光信号の波形が劣化する。
より詳細には、変調後の光信号スペクトルは、波長チャーピングにより、変調前に比べて広がる。変調後の光信号を光ファイバで伝送すると、光信号の波形は、ファイバ媒質の分散の効果によって波形劣化する。結果的に、伝送特性は劣化する。波形劣化は、伝送速度が速いほど、また伝送距離が長いほど顕著となる。
一方、マッハツェンダ型光変調器は、原理的に波長チャーピングをなくすことができるため、超高速・長距離通信用変調器として期待されている。
例えば、C.Rolland et al.、10Gbit/s,1.56μm multiquantum well InP/InGaAsP Mach−Zehnder optical modulator、Electron Lett.、1993年、第29巻、第5号、p.471−472(以下、文献1という)に、半導体のマッハツェンダ型光変調器が記載されている。この変調器は、pin構造を有した集中定数型の変調器である。pin構造を有した集中定数型の変調器では、光がp型とn型の半導体層にはさまれた層厚0.4μmのノンドープ多重量子井戸(MQW)領域を導波するため、電界による屈折率変調を高効率で受ける。したがって、位相変調部の長さを極めて短くすることができ、例えば、LN変調器における位相変調部の長さ20〜30mmに対して、集中定数型の変調器では600μmとすることができる。
しかし、集中定数型の変調器は、p型半導体部分での光損失が大きく、例えば全挿入損失が13dBと大きくなる。また集中定数型の変調器は、CR時定数による速度制限のため、10Gbit/s以上の動作が困難である。
図13は、進行波型電極構造のマッハツェンダ型光変調器の導波路の概略断面図であり、電界印加部分の断面構造を示してある。図13に示す構造を有するマッハツェンダ型光変調器は、ショットキー電極を用いた進行波電極型変調器であり、上述する集中定数型の変調器の問題点を解決すべく現在盛んに研究されている変調器であり、たとえばR.Spickermann et al.、GaAs/AlGaAs electro−optic modulator with bandwidth>40GHz、Electron Lett.、1995年、第31巻、第11号、p.915−916(以下、文献2という)に記載されている。
図13に示すように、当該電界印加部分は、SI(Semi−Insulate:半絶縁)−InPクラッド層71と、SI−InPクラッド層71上に積層された光導波層72と、リッジ状のSI−InPクラッド層73と、グランド電極74と、リッジ上面のショットキー電極75とから構成される。SI−InPクラッド層71と73は、i(ノンドープ)−InPにより置き換えられることもある。また、InPだけでなく、GaAs系材料により形成されることもある。
従来のpin構造を有した集中定数型変調器は、p型電極における電気信号の導波損失とpin構造の容量成分による光と電界の速度不整合により、進行波型電極構造を実現することが困難であった。
図13に示す構造を有するマッハツェンダ型光変調器は、ショットキー電極を用いることにより、進行波型電極構造を実現している。また、この進行波電極型変調器は、半導体としてはSI層又はノンドープ層を用いて、集中定数型の変調器の説明で述べたような欠点を解消することができる。
しかしながら、図13に示す構造を有するマッハツェンダ型光変調器では、ショットキー電極75とグランド電極74との距離GAPは、加工上の制限により最小でも約9μmとなり、比較的大きくなってしまう。したがって、光導波層72の電界強度(図13において、矢印で図示)は小さくなる。その結果、光変調器の屈折率の変調効率は、低下する。
図13に示す構造を有するマッハツェンダ型光変調器は、変調効率が小さいため、十分な位相変調を行うために位相変調部を長くすることが求められ、あるいは高い動作電圧を必要とされる。この結果、進行波電極型の変調器は、集中定数型ほどの小型化ができないこと(例えば、約10mm)、あるいは動作電圧が高くなること(例えば、Vπ=28V)が知られている。
進行波型電極構造の半導体光変調器の従来技術の他の例として、米国特許第5647029号明細書(以下、文献5)に示されているものが知られている。図14は、米国特許第5647029号明細書に示された半導体光変調器の導波路の断面構造図である。図14に示すように、光変調器80はハイメサ導波路型であり、SI−InP基板81上に、n型InAlAs下部クラッド層82、量子井戸を含む光導波層83、n型InAlAs上部クラッド層84の順に積層されている。
図14に示した半導体光変調器は、光導波層83の上下面をn型のInAlAsクラッド層82,84で挟み、電極85と86を介して、その両クラッド層82と84との間に電圧が印加される特徴を有する。
図14に示した半導体光変調器の他の特徴として、半導体光導波路の光導波層83と電極85との距離s、又は光導波層83とSI−InP基板81との間のクラッド層82の厚さtなどを変化させ、信号光と電気信号との速度整合条件およびインピーダンス整合条件を満たすことによって、駆動周波数帯域が40GHzにも及ぶ高速の光変調が実現される。
しかし、図14に示した半導体光変調器の構造は、ポテンシャル障壁がないために、電圧を印加すると大きな電流が流れてしまう。そこで、この素子は、光導波層83としてBRAQWET層(Barrier−Reservoir And Quantum−Well Electron−Transfer層)を用いることを前提にしている。BRAQWET層については、例えば、T.Y.Chang,et al.、Novel modulator structure permitting synchronous band filling of multiple quantum wells and extremely large phase shifts、Electron Device Meeting 1989,Technical Digest International、3−6 Dec.1989.、p.737−740(以下、文献3という)に詳細に説明されている。
BRAQWET層は、n型半導体層、MQW光導波層、p型半導体層、n型半導体層を順次積層させた構造を有する。図15Aおよび図15Bは、BRAQWET層のバンド構造を示す図である。図15Aは電圧を印加していない状態を、図15Bは電圧を印加した状態をそれぞれ示す。図15Aに示すように、BRAQWET層のバンド構造は、n型半導体部分とp型半導体部分のフェルミ準位の違いを利用して、p型半導体部分を電子に対するポテンシャル障壁として利用した構造である。また、図15Bに示すように、電圧印加時に電子が2つの電極間に流れないようにする障壁があるため、光導波路に電圧印加が行えるような構造となっている。
この構造は、MQW光導波層に電子を注入することによってひきおこされるバンドフィリング効果、すなわち吸収係数の変化又は屈折率の変化を利用する特徴を有する。電子のみがMQW光導波層に注入され、ホールは電圧印加時の応答には寄与しない。BRAQWET層は、移動度の小さいホールを介在しないため、高速の電気信号に応答することができる。
実際には、p型半導体部分のバンドギャップの持ち上がりが電流を効果的に遮蔽するために、n型半導体とp型半導体とは、非常に精密な濃度制御が必要とされる。しかし、n型キャリア濃度とp型キャリア濃度を層界面で急峻に制御することは困難である。またノンドープ化される領域が大きくなると、電界がノンドープ領域に印加され、電気光学効果の効率が下がることになる。
したがって、BRAQWET構造を採用した実用的な光変調器の作製は、非常に困難である。前述した文献の光変調器は、バンドギャップが大きくて、p型の半導体を障壁層として使用することによって障壁を高くしている。このような構造で、実際に使用できるほどの消光特性のとれた光変調器は、これまでに知られていない。
また、光変調器の例ではないが、光導波層の上下をn型クラッド層で挟んだ例として、図16に示す断面構造を有する進行波型電極フォトダイオードがある(Jin−Wei Shi and Chi−Kuang Sun、Design and Analysis of Long Absorption−Length Traveling−Wave Photodetectors、Journal of Lightwave Thechnology、2000年12月、第18巻、第12号、p.2176−2187、(以下、文献4という))。図16に示す進行波型電極フォトダイオード90は、n型クラッド層92と、光導波層93、n型クラッド層94とがSI−GaAs基板91上に積層された積層構造を有する。n型クラッド層92とn型クラッド層94に挟まれた光導波層93は、電圧を印加した際に生ずる電流を抑制するために、高抵抗GaAs(LTG−GaAs)を用いている。進行波型電極フォトダイオード90は、n型AlGaAsクラッド層94上に電極96と、n型AlGaAsクラッド層92上に電極95を備える。
しかしながら、高抵抗GaAsとして、低温成長GaAs(LTG−GaAs)を用いているため、低温成長で導入された欠陥により光損失が生じる。
以上説明したように、現在検討されている半導体マッハツェンダ型光変調器のうちで、集中定数型の変調器は、p型半導体部分での光損失が大きく、CR時定数による速度制限のため10Gbit/s以上の動作が困難である。また、進行波電極型の変調器は、屈折率の変調効率が小さく、位相変調部の小型化が困難で、動作電圧が高くなる。
上記課題を解決する第1の発明は、基板上に順次、半絶縁型クラッド層と、半導体光導波層と、半絶縁型クラッド層とが積層された層構造を有する半導体光変調器において、少なくとも一方の前記半絶縁型クラッド層における、前記半導体光導波層との積層面と対抗する面を含む一部又は全部が、n型クラッド層であることを特徴とする半導体光変調器である。
半導体光導波層を挟む半絶縁型クラッド層の一方について、半導体光導波層との積層面に対向する面を含んだ一部または半絶縁型クラッド層全部がn型クラッド層となっている場合と、半導体光導波層を挟む半絶縁型クラッド層の両方について、半導体光導波層との積層面に対向する面を含んだ一部または半絶縁型クラッド層全部がn型クラッド層となっている場合(ただし、両方の半絶縁型クラッド層すべてがn型クラッド層となることはない。)とが例として挙げられる。
すなわち、第1の例として、基板上に順次、n型クラッド層(以下n層という)、半絶縁型クラッド層(以下SI層という)、半導体光導波層(以下、光導波層という)、SI層、n層が積層される場合がある。第2の例として、基板上に順次、n層、SI層、光導波層、SI層が積層される場合がある。第3の例として、基板上に順次、SI層、光導波層、SI層、n層が積層される場合がある。第4の例として、基板上に順次、SI層、光導波層、n層が積層される場合がある。第5の例として、基板上に順次、n層、光導波層、SI層が積層される場合がある。第6の例として、基板上に順次、n層、光導波層、SI層、n層が積層される場合がある。第7の例として、基板上に順次、n層、SI層、光導波層、n層が積層される場合がある。
上記課題を解決する第2の発明は、n型クラッド層と、光導波層と、n型クラッド層とが積層された層構造を有する半導体光変調器において、半絶縁型クラッド層が、前記n型クラッド層の少なくとも一方と光導波路層との間に積層されたことを特徴とする半導体光変調器である。
すなわち、第1の発明における、第1の例、第6の例、および第7の例の場合がある。
本発明の半導体光変調器は、n型クラッド層と半導体光導波層との間に半絶縁型クラッド層が挿入されているので、上記文献1に開示されている光変調器とは異なる。また、本発明の半導体光変調器は、上記文献4に開示されている進行波電極型フォトダイオードとも異なる。すなわち、本発明の半導体光変調器は、高抵抗でない半導体光導波層(例えばノンドープ光導波層)を用い、高抵抗でない半導体光導波層とn型クラッド層との間に半絶縁型クラッド層が挿入されている。
すなわち、本発明の半導体光変調器では、半導体光導波層の上下面の少なくとも一方に半絶縁型クラッド層を配し、かつ前記半導体光導波層の上面の半絶縁型クラッド層の上面又は前記半導体光導波層の下面の半絶縁型クラッド層の下面の少なくとも一方にn型ドープ層が配されている。このように、p型ドープ層を用いていないため、p型半導体の光吸収損失やp型電極の導体損失が無く、低損失な光導波路と進行波型電極構造を実現することができる。
また、半導体光導波層の上下面の少なくとも一方に半絶縁型クラッド層を配することにより、半導体光導波層の上側及び下側の両方にn電極が存在しても、電流が流れることなく電圧印加が可能となる。
本発明の半導体光変調器は、電極層間の距離を5μm以下にすることが可能である。すなわち、本発明の半導体光変調器は、従来の進行波型電極構造の半導体光変調器と比較して、電界強度を大きくすることができる。したがって、本発明の半導体光変調器は、屈折率の変調効率が大きく、位相変調部を小型化することができ、動作電圧を低くすることが可能となる。また、本発明の半導体光変調器は、進行波型電極構造を採用することにより、集中定数電極のようにCR時定数に制限されることなく、10Gbit/s以上の高周波帯域でも動作が可能となる。
本発明の半導体光変調器は、半導体光導波層としてノンドープ半導体層を用いることができる。すなわち、意図的にFe等の半絶縁性不純物をドープし、または低温成長により高抵抗化を図らなくても良い。半導体光導波層としてノンドープ半導体層を用いた場合は、光導波層における光の損失が小さくなる。本発明の半導体光変調器では、特に、半絶縁型クラッド層を半導体光導波層の上面又は下面の一方のみに配した場合、半絶縁型クラッド層のポテンシャル障壁により半導体光導波層に大きな電界をかけることができる。
上記課題を解決する第3の発明は、第1または第2のいずれかの発明に係る半導体光変調器において、導波路構造が、ハイメサ導波路構造またはリッジ導波路構造であることを特徴とする半導体光変調器である。
ハイメサ導波路構造は、半導体光導波層の下方(基板側に向かう方向)の層までエッチングすることにより形成された光導波路の構造である。リッジ導波路構造とは、半導体光導波層の上方(基板側から離れる方向)の層までエッチングすることにより形成される光導波路の構造である。
上記課題を解決する第4の発明は、第1または第2のいずれかの発明に係る半導体光変調器において、基板の直上のn型クラッド層または半絶縁型クラッド層と、基板に積層された半導体光導波層との積層面と対向する面を含むn型クラッド層または半絶縁型クラッド層とに電極を接続し、電圧印加を行うことを特徴とする半導体光変調器である。
第1の発明で説明した、第1、第6又は第7の例では、基板の直上及び基板に積層された最上層にはn型クラッド層が存在するため、両電極はこれらのn型クラッド層に接続する。また、第2〜第5の例では、一方がn型クラッド層であり、他方が半絶縁型クラッド層であるため、一方の電極はn型クラッド層に、他方の電極は半絶縁型クラッド層に接続される。
n型クラッド層は、導電性を有し電極と同様の役割をも果たす。したがって、半導体光導波層に電界を発生させる実質的な電極間隔を、実際の電極−電極間隔よりも小さくすることができる。
上記課題を解決する第5の発明は、第4の発明に係る半導体光変調器において、前記電極が、コプレーナ導波線路構造であることを特徴とする半導体光変調器である。
上記課題を解決する第6の発明は、第1ないし第5のいずれかの発明に係る半導体光変調器と、入力光を二分する光分波器と、前記半導体光変調器によって変調された光を合波する合波器とを備えたことを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器である。
従来のpin構造の変調器は、電界による屈折率変調を高効率で利用することができる。しかし、従来のpin構造の変調器は、p型半導体の光吸収損失やp型電極の導体損失、光と電界の速度不整合による進行波型電極構造の困難性等の欠点を有していた。
本発明の半導体マッハツェンダ型光変調器は、上記第1から第5の発明に係る構造を採用することにより、電界による屈折率変調を高効率に発生することができる進行波型電極構造の実現を可能とする。
図2は、第1の実施形態に係る半導体光変調器の電界印加部分の導波路(リッジ構造)の概略断面図である。
図3は、SI半導体層の厚さと耐圧との関係図である。
図4Aは、第1の実施形態に係る半導体光変調器のバンドダイアグラムであり、無電界の状態を示す。
図4Bは、第1の実施形態に係る半導体光変調器のバンドダイアグラムであり、電界を印加した状態を示す。
図5は、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の概略外観図である。
図6は、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の位相変調光導波路部分の概略断面図である。
図7Aは、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の位相変調導波路の電圧−電流特性を示すグラフである。
図7Bは、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の位相変調導波路の電圧−電流特性を示すグラフである。
図8Aは、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の電圧印加時の透過光強度特性を示した図である。
図8Bは、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の電圧印加時の透過光強度特性を示した図である。
図9Aは、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の小信号応答特性を示した図である。
図9Bは、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の40Gbit/sアイダイアグラムを示した図である。
図9Cは、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の40Gbit/sエラーレートを示した図である。
図10Aは、第2の実施形態に係る進行波型電極付きマッハツェンダ型光変調器の速度整合条件のメサ幅依存性を示した図である。
図10Bは、第2の実施形態に係る進行波型電極付きマッハツェンダ型光変調器のインピーダンス整合条件のメサ幅依存性を示した図である。
図11は、第3の実施形態に係る半導体光変調器の電界印加部分の導波路(ハイメサ構造)の概略断面図である。
図12は、第3の実施形態に係る半導体光変調器の電界印加部分の導波路(リッジ構造)の概略断面図である。
図13は、従来の進行波型電極構造の半導体光変調器の電界印加部分の導波路の概略断面図である。
図14は、従来の進行波型電極構造の半導体光変調器の他の例であり、当該光変調器に係る電界印加部分の導波路の概略断面図である。
図15Aは、電圧を印加していない状態のBRAQWET層のバンド構造を示す図である。
図15Bは、電圧を印加した状態のBRAQWET層のバンド構造を示す図である。
図16は、光導波層の上下をn型クラッド層で挟んだ構造を有する進行波型電極フォトダイオードの概略断面図である。
図1は、第1の実施形態に係るInP系多重量子井戸半導体光変調器の導波路の概略断面図であり、導波路における電界印加部分の断面構造を示す。
本実施形態に係る半導体光変調器は、SI−InP基板11上にn−InPクラッド層12、光導波層13、SI−InPクラッド層14、n−InPクラッド層15が順次積層された積層体を、エッチングプロセスによりメサ状に加工した光導波路構造をもつ。
第1の実施形態に係る半導体光変調器は、光導波層13の下(本実施形態では、光導波層13の下層であるn−InPクラッド層12)までエッチングされたハイメサ導波路構造10である。
図1に示された半導体光変調器は、n−InPクラッド層15の上面に電極16を、n−InPクラッド層12の上面にグランド電極17備えている。電極16とグランド電極17の間に高周波信号を印加するため、電極構造は、2つのグランド電極17の間に電極16が挟まれた構造であるコプレーナ導波線路(CPW)構造が採用される。
導波路構造として、光導波層の上までエッチングするリッジ導波路構造を採用することも可能である。図2は、リッジ導波路構造20を適用した導波路における電界印加部分の断面構造を示す。図2に示した導波路は、SI−InP基板21上にn−InPクラッド層22、光導波層23、SI−InPクラッド層24、n−InPクラッド層25が順次積層され、光導波層23の上層であるSI−InPクラッド層24までエッチングされている。
図2に示された半導体光変調器は、n−InPクラッド層25の上面に電極26を備える。グランド電極は、光導波層の下層であるn−InPクラッド層に接続させる必要がある。図2に示されたリッジ導波路構造は、SI−InPクラッド層24の表面からn−InPクラッド層22までの溝を備え、n−InPクラッド層22と接続されるようにグランド電極27が配置されている。
グランド電極27とn−InPクラッド層22とを接続する場合に、グランド電極27と光導波層23との接触により、電圧印加時に電子が光導波層23に流れ込み、電気光学特性が劣化する可能性がある。しかしながら、光導波層23はノンドープ層であるため、グランド電極27とn−InPクラッド層22との接続部分(溝)をリッジ導波路部分から十分に離れた場所に形成することにより、当該問題を解消することができる。
たとえば図1に示された半導体光変調器の場合、動作時には、電極16とグランド電極17との間に電圧を印加することにより、光導波層13に信号電界(図1において、矢印で図示)を発生させる。第1の実施形態では、n−InPクラッド層15およびn−InPクラッド層12は、導電性を有し、電極と同様の役割をも果たす。光導波層13に電界を発生させる電極の間隔は、実質的にはn−InPクラッド層15とn−InPクラッド層12との間隔となる。
このため、第1の実施形態の半導体光変調器は、従来例(図13参照)と比較して実質的な電極間隔を小さくし、光導波層13中の電界強度を増加させ、電気光学効果を高めることができる。
次に、実質的な電極間隔を決定する、光導波路13とSI−InPクラッド層14との層厚、特に、SI−InPクラッド層14の層厚について説明する。
電極16及びグランド電極17を介して、n−InPクラッド層15とn−InPクラッド層12との間に印加可能な電圧値は、2つのn型半導体層の間に挟まれたSI−InPクラッド層14の耐圧により決定される。図3は、SI−InPクラッド層の厚さと耐圧の関係を示す。
図3に示すように、耐圧は、SI−InPクラッド層14の層厚が0.5μmのときに±2.5V、層厚1.0μmのときに±7.0V、層厚2.0μmのときに±25Vである。
ここで、第1の実施形態の半導体光変調器は、従来例に係る半導体光変調器(図13参照)と比較して実質的な電極間隔(n−InPクラッド層15とn−InPクラッド層12との間隔)が小さいため、比較的低い印加電圧で高強度の電界を発生させることができ、高い効率で電気光学効果を利用することが可能となる。
従来例に係る半導体光変調器は、電極間隔が約9μmと大きく、またこれに伴い高電圧(28V程度)を印加する必要があった。第1の実施形態の半導体光変調器は、実質的な電極間隔を小さくし、電気光学効果の効率を向上させることができ、駆動電圧の低電圧化、素子の小型化等を実現することを可能とする。
第1の実施形態の半導体光変調器における光導波層13と電極16までの距離を約1μm以下とした場合、信号光のロスは、電極16を構成する金属によって増大する。したがって、第1の実施形態の半導体光変調器における光導波層13と電極16までの距離は、1μm以上にすることが望ましい。
光導波層13から電極16までの距離は、n−InPクラッド層15とSI−InPクラッド層14の層厚で決定される。第1の実施形態の半導体光変調器は、速度整合とインピーダンス整合をとるためにSI−InPクラッド層14の層厚を小さくした場合であっても、n−InPクラッド層15の層厚を調整(大きく)することにより、光導波層13から電極16までの距離を1μm以上に維持することができる。したがって、電極16による光損失を防止し、高い効率で電気光学効果を利用することができる位相変調部とすることが可能である。
図4A及び図4Bは、第1の実施形態に係るInP系多重量子井戸半導体光変調器のバンドダイアグラムを示す。図4Aは、電圧を印加しない状態のバンドダイアグラムを、図4Bは、電圧を印加した状態のバンドダイアグラムを示す。図4Aおよび図4Bは、図面右側から、SI−InP基板上に順次積層したn−InPクラッド層12と、光導波層13と、SI−InPクラッド層14と、n−InPクラッド層15とからなる構造に対応する形態のバンド構造を示す。図4Aおよび図4Bは、光導波層13が、バンドギャップ波長1370nmのノンドープ多重量子井戸層(MQW)13aと、その上下に配されたバンドギャップ波長1300nmのノンドープInGaAsP光閉じ込め層13bとからなる場合のバンド構造を示す。
SI−InPクラッド層14のバンド構造は、ドープされたFe原子が深い準位でイオン化したアクセプタとして働くことにより、イオン化したアクセプタの電荷によりバンドが曲げられ、電子1に対するポテンシャルバリアを形成する。ポテンシャルバリアが電子1の漏れ電流を防ぐことによって、電圧印加時に、効率的に光導波層13に電界が印加されることが可能となる。
なお、本発明の第1の実施形態の半導体光変調器は、上述の形態に限られず、光導波層13と電極16との間をSI−InPクラッド層のみとしてもよい。また、本発明の第1の実施形態の半導体光変調器は、光導波層13と電極16との間をn−InPクラッド層とし、n−InPクラッド層12の代わりにSI−InPクラッド層としてもよい。更に、本発明の第1の実施形態の半導体光変調器は、光導波層13と電極16との間をn−InPクラッド層とし、n−InPクラッド層12の代わりにSI−InPクラッド層とn−InPクラッド層との積層構造(光導波層13の直下をSI−InPクラッド層とする)としてもよい。
以上、図1に示すハイメサ導波路構造を有する半導体光変調器に基づいて、第1の実施形態の説明をしたが、図2に示すリッジ導波路構造を有する半導体光変調器であっても同様の効果を得ることができる。
<第2の実施形態>
図5は、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の概略外観を示す。図5に示すように、マッハツェンダ型光変調器60は、基板上に形成された、入力光を二分する2×2多モード干渉型(MMI)カップラ68aと、二分された光の位相を印加された電圧に基づいてそれぞれ変調する2本の位相変調導波路69a,69bと、変調された光を合波する2×2多モード干渉型カップラ68bと、位相変調導波路69a,69bに電界を印加する信号電極66及びグランド電極67とを備える。ここで、位相変調導波路69a,69bの長さL(位相変調領域)は3mmである。
図6は、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の位相変調導波路の概略断面を示す。図6に示すように、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、SI−InP基板61の上に順次積層された、n−InPクラッド層62と、MQW及びその上下面に配されたInGaAsP光閉じ込め層からなる光導波層63と、SI−InPクラッド層64と、n−InPクラッド層65と、および、導波路メサ上部に信号電極66と、メサ底部(n−InPクラッド層62上)にグランド電極67とを備える。
MQWの吸収波長は1370nmであり、信号光の1550nmから十分離れた波長である。導波路のメサ幅は2.0μm、メサ高さは3.0μm、SI−InPクラッド層64の層厚は1.0μmである。
図7Aおよび図7Bは、本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の位相変調導波路の電圧−電流特性を示す。図7Aは、印加した電圧と漏れ電流の関係を示し、図7Bは、図7Aの電圧0V以上の領域における漏れ電流を対数表示で示す。図7Aおよび図7Bは、位相変調導波路69a,69bが漏れ電流の非常に少ない±15V程度の電圧耐性を有していること、および光導波層63とSI−InPクラッド層64に効果的に電圧が印加されていることを示す。
層厚1.0μmのSI−InPクラッド層64は、漏れ電流200μA以下の優れたポテンシャル障壁特性を有していることが理解される。なお、SI−InPクラッド層64のFeドープ量を、第1の実施形態におけるSI−InPクラッド層14(図1を参照)のFeドープ量に比べて多くすることによって、耐電圧は約2倍に向上されている。
以上より、SI−InPクラッド層をポテンシャルバリアとして用いることにより、BRAQWET構造によるp型半導体のバリアに比べ、製作が非常に容易で、電圧耐性の優れた良質なバリアを形成することができる。すなわち、BRAQWET構造は、耐電圧が±2V程度であるのに対して、SI−InPクラッド層をポテンシャルバリアとして用いることにより、約±15Vもの耐電圧を得ることができる。
BRAQWET構造は、MQWへの電子の注入により、吸収係数の変化あるいは屈折率の変化を利用する構造となっている。他方、第1及び第2の実施形態の光変調器は、光導波層への電圧印加によるポッケルス効果を利用する方法を用いている。第1および第2の実施形態に係る方法は、BRAQWET構造で用いられる方法に比べて、波長チャープおよび波長依存性を小さく抑えることができる。第1および第2の実施形態に係る方法は、光変調器に広く要求される特性を満たすことができる。
上記文献5は、BRAQWET構造を用いることに言及している。しかし、文献5は、MQWの構造に言及していない。第1及び第2の実施形態の導波路構造は、主な特徴として半絶縁型半導体を電流の流れを阻止する層として用いる。また、第1及び第2の実施形態の導波路構造は、光導波層に電子を注入せず、電圧印加によるポッケルス効果を利用する。このように、本発明は、文献5に記載された光変調器とは素子の構造、動作原理が全く異なる、導波路構造を提供する。
図8A及び図8Bは、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の電圧印加時の透過光強度の変化を示す。図8A及び図8Bは、入力光の波長を1520nm〜1620nmに変化させて各波長における透過光強度の変化を示す。図8Aは、図8Bにおける逆バイアス電圧6V以下の領域の拡大図である。図8A及び図8Bに示すように、本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、入力光波長1530nm〜1570nmの40nmに亘る波長域において、15dB以上の消光比を得ることができ、逆バイアス電圧2.2Vの同一動作条件で波長に依存しない動作が可能である。
また、図8A及び図8Bは、逆バイアス電圧を光の位相が逆転する電圧(2Vπ)にしたときに、透過光強度の劣化がないことを示す。ここで、Vπとは、マッハツェンダ型光変調器において消光するために必要な電圧である。この特性は、光導波層領域での光吸収がほとんどないことから得られる特性である。BRAQWET構造のようなバンド準位の変化を利用する構造では、入力光波長とバンド準位が密接に関係しているため、このような波長に依存しない特性を得ることができない。
第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器は、光導波層の吸収端波長を入力光波長から十分に離したこと、およびポッケルス効果を利用する構造としたことにより、上述したような波長に依存しない、また吸収のない特性を得ることができる。
従来のショットキー電極型変調器の位相変調導波路の長さはおよそ10mmである。第2の実施形態では、電界印加領域を小さくしたことにより、高効率で位相変調を行うことができ、3mmという短い位相変調導波路で十分に信号光を変調することが可能となる。
次に、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器における高速駆動特性について説明する。本発明に係る光変調器の光導波路は、2つの電極に接する半導体層がn型半導体である。本発明に係る光変調器の光導波路は、p型半導体層を使用していないため、p型半導体層に起因する電気信号のロスや、光の吸収ロスを回避することができる。また、本発明に係る光変調器の光導波路は、導波路層の幅や、光導波層とSI−InPクラッド層とからなる電界印加領域の厚さを制御して光導波路の容量成分を調整することにより、電気信号と信号光の速度条件やインピーダンス条件を整合させることができる。本発明に係る光変調器の光導波路は、速度条件及びインピーダンス条件が整合した進行波型電極構造を採用することによって、高速電気信号により光を変調する高速光変調器として実現されることができる。
図9A、図9B及び図9Cは、本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器の高周波信号駆動特性を示すグラフである。図9Aは、高周波電気信号と光変調信号の応答特性を示す小信号周波数特性を示す。図9Aに示すように、周波数応答が3dBダウンする小信号周波数帯域は40GHzであり、40Gbit/sの変調に十分な帯域が得られている。また、図9Bは、40Gbit/sにおけるアイダイアグラムを示す。図9Bに示すように、明確なアイ開口を確認することができ、高速な光変調が可能となっている。図9Cは、40Gbit/sで変調した際のビットエラーレートを測定した結果を示す。図9Cに示すように、エラーフリー動作が実現できており、本実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器が高速光変調器として有用なことが分かる。
次に、第2の実施形態に係るマッハツェンダ型光変調器における速度整合条件、インピーダンス整合条件のメサ幅に対するトレランスについて説明する。速度整合及びインピーダンス整合は、変調器の光導波路の容量成分を制御することで得られる。ここで、光導波路の容量成分は、導波路層の幅や、光導波層とSI−InPクラッド層とからなる電界印加領域の厚さを制御することにより調整することできる。電界印加領域の厚さは、半導体層の層厚なので、エピタキシャル成長により数十オングストローム単位での精密な制御が可能である。一方、導波路層の幅は、半導体表面のエッチングにより制御されるので、0.1μm単位での加工誤差が発生する。
図10Aは、半絶縁層厚0.8μm、1.0μm、1.2μmの光導波路について、速度整合条件のメサ幅トレランスを計算により求めた結果を示したグラフである。また、図10Bは、半絶縁層厚0.8μm、1.0μm、1.2μmの光導波路について、インピーダンス整合条件のメサ幅トレランスを計算により求めた結果を示したグラフである。
詳細には、図10Aは、一定の厚さの半絶縁層を有する光導波路の幅(グラフ横軸)と、この光導波路に電気信号を与える際の電気信号の速度(グラフ縦軸)との関係が示す。図10Aによれば、導波路幅が大きくなるほど電気信号の速度が遅くなることがわかる。また図10Aによれば、半絶縁層の厚さが大きくなるほど電気信号の速度が速くなることが分かる。この結果、図10Aから分かるように、半絶縁層厚1.0μmの光導波路が速度整合条件を満たす、すなわち、電気信号の速度と導波路を伝播する信号光の速度(9.29×107m/s)が一致するのは、導波路幅が2.1μmのときである。
40Gbit/sまでの速度における光変調特性を考慮すると、3mmの位相変調領域を通過した後の信号光と、3mmの信号電極66を通過した後の電気信号との速度不整合による位相長のずれは、150μmまで許容することができる。許容できる150μmの位相長のずれは、電気信号の許容速度範囲に換算すると、8.83×107m/s〜9.75×107m/sとなる。
この結果、速度整合を満たすための導波路幅トレランスは、速度が完全に整合する2.1μmの±0.3μmである1.8μm〜2.4μmとなる。このトレランスは、加工精度に対して十分に広いため、多少の加工誤差があっても歩留まりの良い光変調器が作製可能となる。
また、図10Bは、一定の厚さの半絶縁層を有する光導波路の幅(グラフ横軸)と、この光導波路に電気信号を与える信号電極66の特性インピーダンス(グラフ縦軸)との関係を示す。図10Bによれば、導波路幅が大きくなるほど特性インピーダンスが低下し、半絶縁層の厚さが大きくなるほど特性インピーダンスが大きくなることが分かる。この結果、図10Bから分かるように、半絶縁層厚1.0μmの光導波路がインピーダンス整合条件を満たす、すなわち、信号電極66の特性インピーダンスがマッハツェンダ型光変調器60に接続される周辺デバイスのインピーダンス50Ωと一致するのは、導波路幅2.1μmのときである。
ここで、デバイス同士の接続に際して、5Ω程度のインピーダンスのずれは光変調特性に影響を及ぼさないことを考慮すると、信号電極66の特性インピーダンスの許容範囲は、45Ω〜55Ωとすることができる。この結果、インピーダンス整合条件を満たすための導波路幅トレランスは、インピーダンスが完全に整合する2.1μmの±0.35μm程度の1.75μm〜2.45μmとなる。このトレランスも、加工精度に対して十分に広いため、加工誤差により受ける影響が小さく、高速変調可能な光変調器を容易に作製することができる。
従来の半導体マッハツェンダ型光変調器は、集中定数型の光変調器のp型半導体部分での光損失が大きく、CR時定数による速度制限のため10Gbit/s以上の動作が困難である。また、従来の半導体マッハツェンダ型光変調器は、進行波電極型の光変調器の屈折率の変調効率が小さく、位相変調部の小型化が困難で、動作電圧が高い。
上述するように、第2の実施形態に係る半導体マッハツェンダ型光変調器及び位相変調器は、2つのn型ドープクラッド層の間に、光導波層とSIクラッド層とを挟み込んだ層構造を有し、p型ドープ層を用いていないため、p型半導体の光吸収損失やp型電極の導体損失がなく、p型ドープ層に起因する問題が解消された光導波路や進行波型電極構造を実現することができる。
また、従来の進行波型電極構造を有する半導体マッハツェンダ型光変調器と比較して、第2の実施形態に係る半導体マッハツェンダ型光変調器及び位相変調器は、電極層間の距離を5μm以下にすることが可能であるため、電界強度を大きくすることができる。したがって、第2の実施形態に係る半導体マッハツェンダ型光変調器及び位相変調器は、屈折率の変調効率が大きくなり、位相変調部を小型化することができ、動作電圧を低くすることが可能である。
また、第2の実施形態に係る半導体マッハツェンダ型光変調器及び位相変調器は、進行波型電極構造を採用することによって、CR時定数に制限されることなく、10Gbit/s以上の高周波帯域でも動作が可能でありながら、変調効率が高いため素子の小型化、低電圧化が可能である。
<第3の実施形態>
図11は、第3の実施形態に係るInP系多重量子井戸半導体光変調器の導波路の概略断面図である。図11は、導波路における電界印加部分の断面構造を示す。
第3の実施形態に係る半導体光変調器は、SI−InP基板41上にn−InPクラッド層42、SI−InPクラッド層48、光導波層43、SI−InPクラッド層44、n−InPクラッド層45を順次積層させた積層体を、エッチングプロセスによりメサ状に加工した光導波路構造をもつ。
第3の実施形態に係る半導体光変調器は、光導波層43とn−InPクラッド層42との間にSI−InPクラッド層48を設け、光導波層43をSI−InPクラッド層48、44により挟み込む積層構造とした点において、第1の実施形態と異なる。
第3の実施形態に係る半導体光変調器は、エッチングプロセスの際に、光導波層43の下(本実施形態では、n−InPクラッド層42)までエッチングしたハイメサ導波路構造40である。
第3の実施形態に係る半導体光変調器は、n−InPクラッド層45の上面に電極46と、n−InPクラッド層42の上面にグランド電極47とを備える。
電極構造は、両電極間に高周波信号を印加するため、2つのグランド電極47の間に電極46が挟まれた構造であるコプレーナ導波線路(CPW)構造である。
導波路構造は、光導波層の上でエッチングを止めるリッジ導波路構造とすることも可能である。図12は、リッジ導波路構造50を適用した第3の実施形態に係る半導体光変調器の電界印加部分の断面構造を示す。リッジ導波路構造50を適用した第3の実施形態に係る半導体光変調器は、SI−InP基板51上にn−InPクラッド層52、SI−InPクラッド層58、光導波層53、SI−InPクラッド層54、n−InPクラッド層55を順次積層させ、光導波層53の上層であるSI−InPクラッド層54までエッチングされている。
図12に示された半導体光変調器は、n−InPクラッド層55の上面に電極56を備える。グランド電極は、光導波層の下側にあるn−InPクラッド層に接続させる必要がある。図12に示された半導体光変調器は、SI−InPクラッド層54の表面からn−InPクラッド層52までの溝を備え、n−InPクラッド層52と接続されるようにグランド電極57を設置されている。
グランド電極57とn−InPクラッド層52とを接続する際に、グランド電極57と光導波層53とが接触する問題については、第1の実施形態で説明したとおりである。
動作時には、電極46とグランド電極47との間に電圧を印加することにより、光導波層43に信号電界(図11において、矢印で図示)を発生させる。第3の実施形態の半導体光変調器は、n−InPクラッド層45とn−InPクラッド層42とが導電性を有し電極と同様の役割をも果たすため、実質的な電極間隔を小さくすることができ、高効率の電気光学効果を得ることができる。
第3の実施形態の半導体光変調器は、実質的な電極間隔(n−InPクラッド層45とn−InPクラッド層42との間隔)が小さいため、比較的低い印加電圧でも高強度の電界を発生させることができ、駆動電圧の低電圧化、素子の小型化等を実現することが可能となる。
ただし、第3の実施形態の半導体光変調器は、第1の実施形態の半導体光変調器と比較して、実質的な電極間隔がSI−InPクラッド層48の分だけ大きい。したがって、電気光学効果の効率面等からは第1の実施形態の半導体光変調器の方が第3の実施形態の半導体光変調器よりも優れている。しかしながら、第3の実施形態の半導体光変調器は、SI−InPクラッド層44および48を設け、光導波層43をSI−InPクラッド層44,48で挟み込む積層構造としたことにより、第3の実施形態に係る半導体光変調器は、電圧の印加方向が一方向に限定されないので利便性が高いという優れた機能を有している。
なお、第3の実施形態の半導体光変調器における光導波層43と電極46までの距離は、第1の実施形態の半導体光変調器と同様であり、1μm以上が望ましい。第3の実施形態の半導体光変調器は、電気光学効果の効率を向上させるためにSI−InPクラッド層44の層厚を小さくした場合であっても、n−InPクラッド層45の層厚を調整(大きく)することにより、光導波層43から電極46までの距離を1μm以上に維持することができる。したがって、第3の実施形態の半導体光変調器は、電極46による光損失を防止しながら、高効率な電気光学効果を利用することができる位相変調部とすることが可能である。
なお、第3の実施形態の半導体光変調器は、光導波層43と電極46との間をSI−InPクラッド層のみとしてもよく、逆にn−InPクラッド層42の部分をSI−InPクラッド層とし、光導波層43とSI−InP基板41との間をSI−InPクラッド層のみとしてもよい。
以上、図11に示すハイメサ導波路構造を有する半導体光変調器に基づいて、第3の実施形態の説明をしたが、図12に示すリッジ導波路構造を有する半導体光変調器であっても同様の効果を得ることができる。
本発明に係る半導体光変調器では、従来の進行波型電極構造の半導体光変調器と比べ、電極層間の距離を5μm以下にすることが可能であるため光導波層における電界強度を大きくすることができる。このため、屈折率の変調効率が大きく、位相変調部を小型化することができるとともに、動作電圧を低くすることが可能である。
また、進行波型電極構造を採用することによって、集中定数電極のようにCR時定数に制限されること無く10Gbit/s以上の高周波帯域でも動作が可能でありながら、変調効率が高いため素子の小型化、低電圧化が可能である。
Claims (10)
- 基板上に順次、半絶縁型クラッド層と、半導体光導波層と、半絶縁型クラッド層とが積層された層構造を有する半導体光変調器において、
少なくとも一方の前記半絶縁型クラッド層における、前記半導体光導波層との積層面と対向する面を含む一部又は全部が、n型クラッド層であることを特徴とする半導体光変調器。 - 導波路構造が、ハイメサ導波路構造またはリッジ導波路構造であることを特徴とする請求項1に記載の半導体光変調器。
- 前記基板の直上のn型クラッド層または半絶縁型クラッド層と、前記基板に積層された前記半導体光導波層との積層面と対向する面を含むn型クラッド層または半絶縁型クラッド層とに電極を接続し、電圧印加を行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体光変調器。
- 前記電極は、コプレーナ導波線路構造を有することを特徴とする請求項3に記載の半導体光変調器。
- 請求項1ないし4のいずれかに記載の半導体光変調器と、入力光を二分する光分波器と、前記半導体光変調器によって変調された光を合波する合波器とを備えたことを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器。
- 基板上に順次、n型クラッド層と、光導波層と、n型クラッド層とが積層された層構造を有する半導体光変調器において、
半絶縁型クラッド層が、前記n型クラッド層の少なくとも一方と光導波層との間に積層された
ことを特徴とする半導体光変調器。 - 導波路構造が、ハイメサ導波路構造またはリッジ導波路構造であることを特徴とする請求項6に記載の半導体光変調器。
- 前記基板の直上のn型クラッド層または半絶縁型クラッド層と、前記基板に積層された前記対向する面を含むn型クラッド層または半絶縁型クラッド層とに電極を接続し、電圧印加を行うことを特徴とする請求項6に記載の半導体光変調器。
- 前記電極は、コプレーナ導波線路構造を有することを特徴とする請求項8に記載の半導体光変調器。
- 請求項6乃至9に記載の半導体光変調器と、入力光を二分する光分波器と、前記半導体光変調器によって変調された光を合波する合波器とを備えたことを特徴とする半導体マッハツェンダ型光変調器。
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003064900 | 2003-03-11 | ||
JP2003064900 | 2003-03-11 | ||
JP2003322921 | 2003-09-16 | ||
JP2003322921 | 2003-09-16 | ||
PCT/JP2004/003181 WO2004081638A1 (ja) | 2003-03-11 | 2004-03-11 | 半導体光変調器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2004081638A1 true JPWO2004081638A1 (ja) | 2006-06-15 |
JP4036878B2 JP4036878B2 (ja) | 2008-01-23 |
Family
ID=32992946
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005503564A Expired - Fee Related JP4036878B2 (ja) | 2003-03-11 | 2004-03-11 | 半導体光変調器 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US7355778B2 (ja) |
EP (1) | EP1602963B1 (ja) |
JP (1) | JP4036878B2 (ja) |
KR (1) | KR100712460B1 (ja) |
WO (1) | WO2004081638A1 (ja) |
Families Citing this family (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7043097B2 (en) * | 2003-07-25 | 2006-05-09 | Agility Communications, Inc. | Traveling-wave optoelectronic wavelength converter |
JP4504175B2 (ja) * | 2004-12-16 | 2010-07-14 | 日本電信電話株式会社 | 半導体光変調器 |
WO2006095776A1 (ja) | 2005-03-08 | 2006-09-14 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | 半導体光変調器 |
JP2006343412A (ja) * | 2005-06-07 | 2006-12-21 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光変調器 |
JP2007133286A (ja) * | 2005-11-14 | 2007-05-31 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 波長合分波器 |
WO2008001383A2 (en) * | 2006-06-30 | 2008-01-03 | Yosef Ben-Ezra | Method and system for converting a modulated optical signal to a modulated electric signal |
JP4870518B2 (ja) * | 2006-10-24 | 2012-02-08 | Nttエレクトロニクス株式会社 | 半導体光変調器 |
JP5109931B2 (ja) * | 2008-10-31 | 2012-12-26 | 日本電気株式会社 | 半導体光集積素子および半導体光集積素子の製造方法 |
US8498501B2 (en) | 2009-05-27 | 2013-07-30 | Nec Corporation | Semiconductor optical modulator and semiconductor mach-zehnder optical modulator |
JP2012037658A (ja) | 2010-08-05 | 2012-02-23 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体光変調素子、マッハツエンダ型半導体光変調器、及び半導体光変調素子の製造方法 |
JP5536823B2 (ja) * | 2012-04-24 | 2014-07-02 | 日本電信電話株式会社 | 光変調導波路 |
JP5731455B2 (ja) * | 2012-09-07 | 2015-06-10 | 日本電信電話株式会社 | 光変調器およびその製造方法 |
JP6006611B2 (ja) * | 2012-10-24 | 2016-10-12 | 日本電信電話株式会社 | 半導体光変調素子 |
KR102163885B1 (ko) * | 2015-01-14 | 2020-10-13 | 한국전자통신연구원 | 전계흡수 광변조 소자 및 그 제조 방법 |
US9804475B1 (en) | 2015-04-16 | 2017-10-31 | Aurrion, Inc. | Radio-frequency loss reduction in photonic circuits |
JP6348880B2 (ja) * | 2015-06-05 | 2018-06-27 | 日本電信電話株式会社 | 半導体マッハツェンダ光変調器 |
Family Cites Families (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4282887A (en) * | 1979-10-11 | 1981-08-11 | Rca Corporation | Ridge-waveguide applicator for treatment with electromagnetic energy |
JPH0690369B2 (ja) * | 1986-02-21 | 1994-11-14 | 国際電信電話株式会社 | 半導体光変調器 |
JPH04282887A (ja) * | 1991-03-11 | 1992-10-07 | Nec Corp | プリント配線板の製造方法 |
JP2982835B2 (ja) | 1991-07-22 | 1999-11-29 | 日本電信電話株式会社 | 半導体光変調器 |
US5647029A (en) * | 1995-11-27 | 1997-07-08 | Lucent Technologies Inc. | Traveling wave quantum well waveguide modulators using velocity matching for improved frequency performance |
JP2867995B2 (ja) * | 1997-05-28 | 1999-03-10 | 日本電気株式会社 | 半導体マハツェンダ変調器とその製造方法 |
JP3067702B2 (ja) | 1997-07-10 | 2000-07-24 | 日本電気株式会社 | 半導体光集積素子およびその製造方法 |
JPH1172759A (ja) | 1997-08-29 | 1999-03-16 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 導波路形光デバイスとその製造方法 |
US6075254A (en) * | 1998-02-06 | 2000-06-13 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Polarization insensitive/independent semiconductor waveguide modulator using tensile stressors |
IL130326A0 (en) * | 1999-06-07 | 2000-06-01 | Yeda Res & Dev | A sensor based on molecular controlled semiconductor resistor |
EP1186936B1 (en) * | 2000-03-15 | 2007-12-26 | Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. | Optical waveguide modulator with output light monitor |
-
2004
- 2004-03-11 US US10/523,665 patent/US7355778B2/en not_active Expired - Lifetime
- 2004-03-11 JP JP2005503564A patent/JP4036878B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2004-03-11 EP EP04719592A patent/EP1602963B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2004-03-11 KR KR1020057002031A patent/KR100712460B1/ko active IP Right Grant
- 2004-03-11 WO PCT/JP2004/003181 patent/WO2004081638A1/ja active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20060159381A1 (en) | 2006-07-20 |
KR100712460B1 (ko) | 2007-04-27 |
KR20050033068A (ko) | 2005-04-08 |
EP1602963A4 (en) | 2007-11-07 |
EP1602963A1 (en) | 2005-12-07 |
US7355778B2 (en) | 2008-04-08 |
WO2004081638A1 (ja) | 2004-09-23 |
JP4036878B2 (ja) | 2008-01-23 |
EP1602963B1 (en) | 2012-07-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4663712B2 (ja) | 半導体光変調器 | |
EP2458433B1 (en) | Optical modulator and manufacturing method of the optical modulator | |
JP4036878B2 (ja) | 半導体光変調器 | |
US6721085B2 (en) | Optical modulator and design method therefor | |
US8412005B2 (en) | Mach-Zehnder interferometer type optical modulator | |
JP3885528B2 (ja) | 光変調器 | |
US20030091287A1 (en) | Multimode interference (MMI) device | |
JP6348880B2 (ja) | 半導体マッハツェンダ光変調器 | |
Zhang | Traveling-wave electroabsorption modulators | |
JP4357438B2 (ja) | 半導体光変調器 | |
CN100370317C (zh) | 半导体光调制器 | |
JP5906210B2 (ja) | 光変調器 | |
Yamanaka et al. | High-performance InP-based optical modulators | |
US11215898B2 (en) | Optical modulator | |
Yamanaka | Ultrafast electroabsorption modulators with traveling-wave electrodes | |
Tsuzuki et al. | InP‐based n‐i‐n Mach‐Zehnder optical modulator | |
Tsuzuki et al. | Low driving voltage 40 Gbit/s nin Mach-Zehnder modulator fabricated on InP substrate | |
KOMATSU et al. | Gb/s-Range Semiconductor and Ti: LiNbO 3 Guided-Wave Optical Modulators. | |
US20050141072A1 (en) | Electroabsorption modulator with two sections | |
JP2014215408A (ja) | 光変調素子および光変調素子の駆動方法 | |
Tamura et al. | Ultrafast electroabsorption modulators with traveling-wave electrodes | |
Akage et al. | Return-loss-suppressed electroabsorption modulator with novel transmission line electrodes on conductive substrate |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070717 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070918 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20071023 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20071030 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101109 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101109 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111109 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111109 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121109 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121109 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131109 Year of fee payment: 6 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |