KR100712460B1 - 반도체 광변조기 - Google Patents

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KR100712460B1
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Abstract

본 발명은 주로 광통신 시스템이나 광정보 처리 시스템에 있어서 이용되는 반도체 광변조기에 관한 것이다.
본 발명은 SI-InP 기판(11) 상에 순차, n-InP 클래드층(12)과, 광도파층(13)과, SI-InP 클래드층(14)과, n-InP 클래드층(15)이 적층되고, n-InP 클래드층(15)에 접속된 전극(16)과, n-InP 클래드층(12)에 접속된 접지 전극(17)으로부터 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 특히 저전압에서 동작함과 동시에 도파손실이 작은 반도체 위상 변조기 또는 반도체 마하젠더형 광변조기로서 적용할 수가 있다.
반절연형, 클래드층,광도파층, 층구조, 적층면, 반도체 ,광변조기

Description

반도체 광변조기{SEMICONDUCTOR OPTICAL MODULATOR}
본 발명은 반도체 광변조기에 관한 것으로서, 특히 반도체 위상 변조기 또는 반도체 마하젠더형(Mach-Zehnder type) 광변조기로서 적용할 수 있는 반도체 광변조기에 관한 것이다.
광변조기(optical modulator) 등의 도파형(waveguide) 광제어(light control) 디바이스(device)는 고속 광통신 시스템, 광정보 처리 시스템에 있어서의 중요한 요소의 하나이다. 광변조기에는, 예를 들면, LiNbO3(LN) 등의 유전체를 이용한 광변조기나, InP나 GaAs등의 반도체를 이용한 광변조기 등이 포함된다. 이러한 광변조기 중에서도 레이저나 광증폭기 등의 다른 광소자나 전자회로와의 집적화가 가능하고, 소형화, 저전압화가 용이한 반도체 광변조기가 기대되고 있다.
전계 흡수형(electro-absorption) 광변조기와 마하젠더형 광변조기가 대표적인 반도체 광변조기로서 알려져 있다.
전계 흡수형 광변조기는, 예를 들면, 벌크 반도체(bulk-semiconductor)의 후란즈켈디쉬 효과(Franz-Keldysh Effect)나 다중양자(multi-quantum) 웰(well) 구조에 있어서의 양자 구속 스타크 효과(Quantum Confined Stark Effect : QCSE)와 같 은 전계를 인가함으로써 흡수단이 장파장측으로 쉬프트(shift) 하는 효과를 이용한 광변조기이다.
또, 마하젠더형 광변조기는, 벌크 반도체의 전기광학(electro-optic) 효과(Pockels Effect)나 다중양자(multi-quantum) 웰(well) 구조에 있어서의 양자 구속 스타크 효과와 같이 전계를 인가함으로써 굴절률이 변화하는 효과를 이용한 광변조기이다.
전계 흡수형 광변조기는, 소비 전력이 작고, 소형이고, LN 변조기에서 보여지는 것 같은 직류 전압에 의한 표류(drift)도 생기지 않기 때문에 유망한 광변조기로 생각되어지고 있다. 그러나, 전계 흡수형 광변조기는, 변조시에 생긴 파장 처핑(chirping)에 의해, 파이버(fiber) 전송후의 광신호의 파형이 열화한다.
보다 상세하게는, 변조후의 광신호 스펙트럼은 파장 처핑(chirping)에 의해 변조전에 비해 퍼진다. 변조후의 광신호를 광파이버로 전송하면 광신호의 파형은 파이버 매질의 분산의 효과에 의해 파형 열화한다. 결과적으로 전송 특성은 열화한다. 파형 열화는 전송 속도가 빠를수록, 또 전송 거리가 길수록 현저하게 된다.
한편, 마하젠더형 광변조기는, 원리적으로 파장 처핑(chirping)을 없앨 수가 있기 때문에, 초고속·장거리 통신용 변조기로서 기대되고 있다.
예를 들면, C.Rolland et al., 10Gbit/s, 1.56㎛ multiquantum well InP/InGaAsP Mach-Zehnder optical modulator, Electron Lett., 1993년, 제29권, 제5호, p.471-472(이하, 문헌 1이라고 한다)에 반도체의 마하젠더형 광변조기가 기재되어 있다. 이 변조기는, pin 구조를 가진 집중 정수형(lumped constant type)의 변조기이다. pin 구조를 가진 집중 정수형의 변조기에서는, 광이 p형과 n형의 반도체층에 끼워진 층두께(layer thickness) 0.4㎛의 도핑(doping)이 되지 않은 다중양자(multi-quantum) 웰(well)(MQW) 영역을 도파하기 때문에, 전계에 의한 굴절률 변조를 고효율로 받는다. 따라서, 위상 변조부의 길이를 지극히 짧게 할 수가 있고, 예를 들면, LN 변조기에 있어서의 위상 변조부의 길이 20∼30mm에 대해서 집중 정수형의 변조기에서는 600㎛로 할 수가 있다.
그러나, 집중 정수형의 변조기는, p형 반도체 부분에서의 광손실이 크고, 예를 들면, 전체 삽입손실(insertion loss)이 13dB로 커진다. 또, 집중 정수형의 변조기는, CR 시정수에 의한 속도 제한 때문에, 10Gbit/s 이상의 동작이 곤란하다.
도 13은 진행파형(traveling-wave-type) 전극 구조의 마하젠더형 광변조기의 도파로의 개략 단면도이고, 전계 인가 부분의 단면 구조를 나타내고 있다. 도 13에 나타내는 구조를 가지는 마하젠더형 광변조기는, 쇼트키 전극을 이용한 진행파 전극형 변조기이고, 상술하는 집중 정수형의 변조기의 문제점을 해결하기 위해 현재 널리 연구되고 있는 변조기이고, 예를 들면, R.Spickermann et al., GaAs/AlGaAs electro-optic modulator with bandwidth > 40GHz, Electron Lett., 1995년, 제31권, 제11호, p.915-916(이하, 문헌 2라고 한다)에 기재되어 있다.
도 13에 나타내듯이, 당해 전계 인가 부분은, SI(Semi-Insulate:반절연)-InP 클래드층(cladding layer)(71)과, SI-InP 클래드층(71) 상에 적층된 광도파층(72)과, 릿지 형상(ridge-shaped)의 SI-InP 클래드층(73)과, 접지(ground) 전극(74)과, 릿지 표면의 쇼트키(Schottky) 전극(75)으로 구성된다. SI-InP 클래드층(71, 73) 은, i(도핑(doping)이 되지 않은)-InP에 의해 치환될 수도 있다. 또, InP 뿐만이 아니고 GaAs계 재료에 의해 형성될 수도 있다.
종래의 pin 구조를 가진 집중 정수형 변조기는, p형 전극에 있어서의 전기신호의 도파손실과 pin 구조의 용량 성분에 의한 광과 전계의 속도 부정합에 의해, 진행파형 전극 구조를 실현하는 것이 곤란하였다.
도 13에 나타내는 구조를 가지는 마하젠더형 광변조기는, 쇼트키 전극을 이용함으로써 진행파형 전극 구조를 실현하고 있다. 또, 이 진행파 전극형 변조기는, 반도체로서는 SI층 또는 도핑(doping)이 되지 않은 층을 이용하여, 집중 정수형의 변조기의 설명에서 말한 것 같은 결점을 해소할 수가 있다.
그렇지만, 도 13에 나타내는 구조를 가지는 마하젠더형 광변조기에서는, 쇼트키(Schottky) 전극(75)과 접지(ground) 전극(74)과의 거리 GAP는, 가공상의 제한에 의해 최소 약 9㎛로 되어 비교적 커져 버린다. 따라서, 광도파층(72)의 전계강도(도 13에 있어서, 화살표로 도시)는 작아진다. 그 결과, 광변조기의 굴절률의 변조 효율은 저하한다.
도 13에 나타내는 구조를 가지는 마하젠더형 광변조기는, 변조 효율이 작기 때문에, 충분한 위상 변조를 하기 위해서 위상 변조부를 길게 하는 것이 요구되고, 혹은 높은 동작 전압을 필요로 하게 된다. 이 결과, 진행파 전극형 변조기는, 집중 정수형 만큼의 소형화를 할 수 없는 것(예를 들면, 약 10mm), 혹은 동작 전압이 높아지는 것(예를 들면, Vπ=28V)이 알려져 있다.
진행파형 전극 구조의 반도체 광변조기의 종래 기술의 다른 예로서 미국 특 허 제5647029호 명세서(이하, 문헌 5)에 나타나 있는 것이 알려져 있다. 도 14는 미국 특허 제5647029호 명세서에 나타난 반도체 광변조기의 도파로의 단면 구조도이다. 도 14에 나타내듯이, 광변조기(80)는 하이메사(high-mesa) 도파로형이고, SI-InP 기판(81) 상에, n형 InAlAs 하부 클래드층(82), 양자 웰을 포함한 광도파층(83), n형 InAlAs 상부 클래드층(84)의 순으로 적층되어 있다.
도 14에 나타낸 반도체 광변조기는, 광도파층(83)의 상하면을 n형의 InAlAs 클래드층(82, 84)으로 끼우고, 전극(85, 86)을 개재하여, 그 양쪽 클래드층(82,84)의 사이에 전압이 인가되는 특징을 가진다.
도 14에 나타낸 반도체 광변조기의 다른 특징으로서, 반도체 광도파로의 광도파층(83)과 전극(85)과의 거리 s, 또는 광도파층(83)과 SI-InP 기판(81)과의 사이의 클래드층(82)의 두께 t 등을 변화시키고, 신호광과 전기신호와의 속도 정합 조건 및 임피던스(impedance) 정합 조건을 만족시킴으로써, 구동 주파수 대역이 40GHz에도 미치는 고속의 광변조가 실현된다.
그러나, 도 14에 나타낸 반도체 광변조기의 구조는, 포텐셜 장벽(potential barrier)이 없기 때문에, 전압을 인가하면 큰 전류가 흘러 버린다. 그래서, 이 소자는 광도파층(83)으로서 BRAQWET층(Barrier-Reservoir And Quantum-Well Electron-Transfer Layer)을 이용하는 것을 전제로 하고 있다. BRAQWET층에 대해서는, 예를 들면, 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(이하, 문헌 3이라고 한다)에 상세하게 설명되어 있다.
BRAQWET층은 n형 반도체층, MQW 광도파층, p형 반도체층, n형 반도체층을 순차 적층시킨 구조를 가진다. 도 15A 및 도 15B는 BRAQWET층의 밴드 구조를 나타내는 도이다. 도 15A는 전압을 인가하고 있지 않은 상태를, 도 15B는 전압을 인가한 상태를 각각 나타낸다. 도 15A에 나타내듯이, BRAQWET층의 밴드 구조는, n형 반도체 부분과 p형 반도체 부분의 페르미 준위(Fermi level)의 차이를 이용하여, p형 반도체 부분을 전자(electron)에 대한 포텐셜(potential) 장벽으로서 이용한 구조이다. 또, 도 15B에 나타내듯이, 전압 인가시에 전자가 2개의 전극간에 흐르지 않게 하는 장벽이 있기 때문에, 광도파로에 전압 인가를 할 수 있는 것 같은 구조로 되어 있다.
이 구조는, MQW 광도파층에 전자를 주입함으로써 일어나는 밴드필링(band-filling) 효과, 즉 흡수 계수의 변화 또는 굴절률의 변화를 이용하는 특징을 가진다. 전자만이 MQW 광도파층에 주입되고 홀(hole)은 전압 인가시의 응답에는 기여하지 않는다. BRAQWET층은 이동도가 작은 홀을 개재하지 않기 때문에 고속의 전기신호에 응답할 수가 있다.
실제로는, p형 반도체 부분의 밴드갭(band-gap)의 들어올림(lift)이 전류를 효과적으로 차폐하기 위해서, n형 반도체와 p형 반도체는, 매우 정밀한 농도 제어가 필요로 하게 된다. 그러나, n형 캐리어(carrier) 농도와 p형 캐리어 농도를 층계면(層界面)에서 가파르게 제어하는 것은 곤란하다. 또, 도핑(doping)이 되지 않는 영역이 커지면, 전계가 도핑(doping)이 되지 않은 영역에 인가되어 전기광학 효 과의 효율이 내려가게 된다.
따라서, BRAQWET 구조를 채용한 실용적인 광변조기의 제작은 매우 곤란하다. 전술한 문헌의 광변조기는, 밴드갭이 커서, p형의 반도체를 장벽층으로서 사용함으로써 장벽을 높게 하고 있다. 이러한 구조로 실제로 사용할 수 있을 정도의 소광특성(extinction characteristics)이 얻어진 광변조기는 지금까지 알려져 있지 않다.
또, 광변조기의 예는 아니지만, 광도파층의 상하를 n형 클래드층으로 끼운 예로서 도 16에 나타내는 단면 구조를 가지는 진행파형 전극 포토다이오드(photodiode)가 있다(Jin-Wei Shi and Chi-Kuang Sun, Design and Analysis of Long Absorption-Length Traveling-Wave Photodetectors, Journal of Lightwave Thechnology, 2000년 12월, 제18권, 제12호, p.2176-2187, (이하, 문헌 4라고 한다)). 도 16에 나타내는 진행파형 전극 포토다이오드(90)는, n형 클래드층(92)과 광도파층(93), n형 클래드층(94)이 SI-GaAs 기판(91) 상에 적층된 적층 구조를 가진다. n형 클래드층(92)과 n형 클래드층(94)에 끼워진 광도파층(93)은, 전압을 인가했을 때에 발생하는 전류를 억제하기 위해서, 고저항 GaAs(LTG-GaAs)를 이용하고 있다. 진행파형 전극 포토다이오드(90)는, n형 AlGaAs 클래드층(94) 상에 전극(96)과 n형 AlGaAs 클래드층(92) 상에 전극(95)을 구비한다.
그렇지만, 고저항 GaAs로서 저온 성장 GaAs(LTG-GaAs)를 이용하고 있기 때문에 저온 성장에서 도입된 결함에 의해 광손실이 생긴다.
이상 설명한 것처럼, 현재 검토되고 있는 반도체 마하젠더형 광변조기 중에서 집중 정수형의 변조기는, p형 반도체 부분에서의 광손실이 크고, CR 시정수에 의한 속도 제한 때문에 10Gbit/s 이상의 동작이 곤란하다. 또, 진행파 전극형 변조기는 굴절률의 변조 효율이 작고, 위상 변조부의 소형화가 곤란하고, 동작 전압이 높아진다.
본 발명은, 상기 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 저전압화, 소형화 및 고속화를 동시에 실현한 반도체 마하젠더형 광변조기, 반도체 위상 변조기 등의 반도체 광변조기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하는 제1의 발명은, 기판 상에 순차, 반절연형(semi-insulating type) 클래드층과, 반도체 광도파층과, 반절연형 클래드층이 적층된 층구조를 가지는 반도체 광변조기에 있어서, 적어도 일방의 상기 반절연형 클래드층에 있어서의, 상기 반도체 광도파층과의 적층면과 대항하는 면을 포함하는 일부 또는 전부가, n형 클래드층인 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기이다.
반도체 광도파층을 끼운 반절연형 클래드층의 일방에 대해서, 반도체 광도파층과의 적층면에 대향하는 면을 포함한 일부 또는 반절연형 클래드층 전부가 n형 클래드층으로 되어 있는 경우와, 반도체 광도파층을 끼운 반절연형 클래드층의 양방에 대해서, 반도체 광도파층과의 적층면에 대향하는 면을 포함한 일부 또는 반절연형 클래드층 전부가 n형 클래드층으로 되어 있는 경우(다만, 양방의 반절연형 클래드층 모두가 n형 클래드층으로 되는 일은 없다)를 예로서 들고 있다.
즉, 제1의 예로서 기판 상에 순차, n형 클래드층(이하 n층이라고 한다), 반절연형 클래드층(이하, SI층이라고 한다), 반도체 광도파층(이하, 광도파층이라고 한다), SI층, n층이 적층되는 경우가 있다. 제2의 예로서 기판 상에 순차, n층, SI층, 광도파층, SI층이 적층되는 경우가 있다. 제3의 예로서 기판 상에 순차, SI층, 광도파층, SI층, n층이 적층되는 경우가 있다. 제4의 예로서 기판 상에 순차, SI층, 광도파층, n층이 적층되는 경우가 있다. 제5의 예로서 기판 상에 순차, n층, 광도파층, SI층이 적층되는 경우가 있다. 제6의 예로서 기판 상에 순차, n층, 광도파층, SI층, n층이 적층되는 경우가 있다. 제7의 예로서 기판 상에 순차, n층, SI층, 광도파층, n층이 적층되는 경우가 있다.
상기 과제를 해결하는 제2의 발명은, n형 클래드층과, 광도파층과 n형 클래드층이 적층된 층구조를 가지는 반도체 광변조기에 있어서, 반절연형 클래드층이, 상기 n형 클래드층의 적어도 일방과 광도파로층과의 사이에 적층된 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기이다.
즉, 제1의 발명에 있어서의, 제1의 예, 제6의 예, 및 제7의 예의 경우가 있다.
본 발명의 반도체 광변조기는, n형 클래드층과 반도체 광도파층과의 사이에 반절연형 클래드층이 삽입되어 있으므로, 상기 문헌 1에 개시되어 있는 광변조기와는 다르다. 또, 본 발명의 반도체 광변조기는, 상기 문헌 4에 개시되어 있는 진행파 전극형 포토다이오드(photodiode)와도 다르다. 즉, 본 발명의 반도체 광변조기는, 고저항이 아닌 반도체 광도파층(예를 들면, 도핑(doping)이 되지 않은 광도파층)을 이용하고, 고저항이 아닌 반도체 광도파층과 n형 클래드층과의 사이에 반절연형 클래드층이 삽입되어 있다.
즉, 본 발명의 반도체 광변조기에서는, 반도체 광도파층의 상하면의 적어도 일방에 반절연형 클래드층을 배치하고, 한편 상기 반도체 광도파층의 상면의 반절연형 클래드층의 상면 또는 상기 반도체 광도파층의 하면의 반절연형 클래드층의 하면의 적어도 일방에 n형 도핑층(doped layer)이 배치되고 있다. 이와 같이, p형 도핑층을 이용하고 있지 않기 때문에, p형 반도체의 광흡수 손실이나 p형 전극의 도체손실이 없어 저손실인 광도파로와 진행파형 전극 구조를 실현할 수가 있다.
또, 반도체 광도파층의 상하면의 적어도 일방에 반절연형 클래드층을 배치함으로써, 반도체 광도파층의 상측 및 하측의 양방에 n전극이 존재하여도, 전류가 흐르는 일 없이 전압 인가가 가능하게 된다.
본 발명의 반도체 광변조기는, 전극층간의 거리를 5㎛ 이하로 하는 것이 가능하다. 즉, 본 발명의 반도체 광변조기는, 종래의 진행파형 전극 구조의 반도체 광변조기와 비교하여 전계강도를 크게 할 수가 있다. 따라서, 본 발명의 반도체 광변조기는 굴절률의 변조 효율이 크고, 위상 변조부를 소형화할 수가 있어 동작 전압을 낮게 하는 것이 가능하게 된다. 또, 본 발명의 반도체 광변조기는, 진행파형 전극 구조를 채용함으로써 집중 정수 전극과 같이 CR 시정수에 제한되는 일 없이, 10Gbit/s 이상의 고주파 대역에서도 동작이 가능하게 된다.
본 발명의 반도체 광변조기는, 반도체 광도파층으로서 도핑(doping)이 되지 않은 반도체층을 이용할 수가 있다. 즉, 의도적으로 Fe 등의 반절연성 불순물을 도핑하고, 또는 저온 성장에 의해 고저항화를 도모하지 않아도 좋다. 반도체 광도파층으로서 도핑(doping)이 되지 않은 반도체층을 이용하는 경우는 광도파층에 있어 서의 광의 손실이 작아진다. 본 발명의 반도체 광변조기에서는, 특히, 반절연형 클래드층을 반도체 광도파층의 상면 또는 하면의 일방에만 배치하는 경우, 반절연형 클래드층의 포텐셜(potential) 장벽에 의해 반도체 광도파층에 큰 전계를 걸 수가 있다.
상기 과제를 해결하는 제3의 발명은, 제1 또는 제2의 어느 하나의 발명과 관련되는 반도체 광변조기에 있어서, 도파로 구조가, 하이메사(high-mesa) 도파로 구조 또는 릿지(ridge) 도파로 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기이다.
하이메사 도파로 구조는, 반도체 광도파층의 하방(기판측을 향한 방향)의 층까지 에칭(etching)함으로써 형성된 광도파로의 구조이다. 릿지 도파로 구조는, 반도체 광도파층의 상방(기판측으로부터 떨어지는 방향)의 층까지 에칭(etching)함으로써 형성되는 광도파로의 구조이다.
상기 과제를 해결하는 제4의 발명은, 제1 또는 제2의 어느 하나의 발명과 관련되는 반도체 광변조기에 있어서, 기판의 바로 위의 n형 클래드층 또는 반절연형 클래드층과, 기판에 적층된 반도체 광도파층과의 적층면과 대향하는 면을 포함하는 n형 클래드층 또는 반절연형 클래드층과에 전극을 접속하고, 전압 인가를 하는 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기이다.
제1의 발명으로 설명한, 제1, 제6 또는 제7의 예에서는, 기판의 바로 위 및 기판에 적층된 최상층에는 n형 클래드층이 존재하기 때문에, 양쪽 전극은 이러한 n형 클래드층에 접속한다. 또, 제2∼제5의 예에서는, 일방이 n형 클래드층이고, 타방이 반절연형 클래드층이기 때문에, 일방의 전극은 n형 클래드층에, 타방의 전극 은 반절연형 클래드층에 접속된다.
n형 클래드층은 도전성을 가지고 전극과 같은 역할도 한다. 따라서, 반도체 광도파층에 전계를 발생시키는 실질적인 전극 간격을 실제의 전극-전극 간격보다 작게 할 수가 있다.
상기 과제를 해결하는 제5의 발명은, 제4의 발명과 관련되는 반도체 광변조기에 있어서, 상기 전극이 코플레나(coplanar) 도파선로(waveguide line) 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기이다.
상기 과제를 해결하는 제6의 발명은, 제1 내지 제5의 어느 하나의 발명과 관련되는 반도체 광변조기와, 입력광을 2분하는 광분파기와, 상기 반도체 광변조기에 의해 변조된 광을 합파하는 합파기를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 마하젠더형 광변조기이다.
종래의 pin 구조의 변조기는, 전계에 의한 굴절률 변조를 고효율로 이용할 수가 있다. 그러나, 종래의 pin 구조의 변조기는, p형 반도체의 광흡수 손실이나 p형 전극의 도체손실, 광과 전계의 속도 부정합에 의한 진행파형 전극 구조의 곤란성 등의 결점을 가지고 있었다.
본 발명의 반도체 마하젠더형 광변조기는, 상기 제1로부터 제5의 발명과 관련되는 구조를 채용함으로써, 전계에 의한 굴절률 변조를 고효율로 발생할 수가 있는 진행파형 전극 구조의 실현을 가능하게 한다.
도 1은 제1의 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기의 전계 인가 부분의 도 파로(하이메사 구조)의 개략 단면도이다.
도 2는 제1의 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기의 전계 인가 부분의 도파로(릿지 구조)의 개략 단면도이다.
도 3은 SI 반도체층의 두께와 내압과의 관계도이다.
도 4A는 제1의 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기의 밴드 다이어그램이고, 무전계의 상태를 나타낸다.
도 4B는, 제1의 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기의 밴드 다이어그램이고, 전계를 인가한 상태를 나타낸다.
도 5는 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기의 개략 외관도이다.
도 6은 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기의 위상 변조광도파로 부분의 개략 단면도이다.
도 7A는 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기의 위상 변조 도파로의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7B는 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기의 위상 변조 도파로의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8A는 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기의 전압 인가시의 투과광 강도 특성을 나타낸 도이다.
도 8B는 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기의 전압 인가시의 투과광 강도 특성을 나타낸 도이다.
도 9A는 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기의 소신호 응답 특성을 나타낸 도이다.
도 9B는 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기의 40Gbit/s 아이다이어그램(eye-diagram)을 나타낸 도이다.
도 9C는 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기의 40Gbit/s 오류율(error-rate)을 나타낸 도이다.
도 10A는 제2의 실시 형태와 관련되는 진행파형 전극 첨부 마하젠더형 광변조기의 속도 정합 조건의 메사폭(mesa width) 의존성을 나타낸 도이다.
도 10B는 제2의 실시 형태와 관련되는 진행파형 전극 첨부 마하젠더형 광변조기의 임피던스 정합 조건의 메사폭(mesa width) 의존성을 나타낸 도이다.
도 11은 제3의 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기의 전계 인가 부분의 도파로(하이메사 구조)의 개략 단면도이다.
도 12는 제3의 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기의 전계 인가 부분의 도파로(릿지 구조)의 개략 단면도이다.
도 13은 종래의 진행파형 전극 구조의 반도체 광변조기의 전계 인가 부분의 도파로의 개략 단면도이다.
도 14는 종래의 진행파형 전극 구조의 반도체 광변조기의 다른 예이고, 당해 광변조기와 관련되는 전계 인가 부분의 도파로의 개략 단면도이다.
도 15A는 전압을 인가하고 있지 않은 상태의 BRAQWET층의 밴드 구조를 나타내는 도이다.
도 15B는 전압을 인가한 상태의 BRAQWET층의 밴드 구조를 나타내는 도이다.
도 16은 광도파층의 상하를 n형 클래드층으로 끼운 구조를 가지는 진행파형 전극 포토다이오드의 개략 단면도이다.
＜제1의 실시 형태＞
도 1은 제1의 실시 형태와 관련되는 InP계 다중양자(multi-quantum) 웰(well) 반도체 광변조기의 도파로의 개략 단면도이고, 도파로에 있어서의 전계 인가 부분의 단면 구조를 나타낸다.
본 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기는, SI-InP 기판(11) 상에 n-InP 클래드층(12), 광도파층(13), SI-InP 클래드층(14), n-InP 클래드층(15)이 순차 적층된 적층체를 에칭(etching) 프로세스(process)에 의해 메사(mesa) 형상으로 가공한 광도파로 구조를 가진다.
제1의 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기는, 광도파층(13) 아래(본 실시 형태에서는, 광도파층(13)의 하층인 n-InP 클래드층(12))까지 에칭된 하이메사(high-mesa) 도파로 구조(10)이다.
도 1에 나타난 반도체 광변조기는, n-InP 클래드층(15)의 상면에 전극(16)을, n-InP 클래드층(12)의 상면에 접지 전극(17)을 구비하고 있다. 전극(16)과 접지 전극(17)의 사이에 고주파 신호를 인가하기 위해, 전극 구조는, 2개의 접지 전극(17)의 사이에 전극(16)이 끼워진 구조인 코플레나 도파선로(CPW) 구조가 채용된다.
도파로 구조로서 광도파층 위까지 에칭하는 릿지 도파로 구조를 채용하는 것도 가능하다. 도 2는 릿지 도파로 구조(20)를 적용한 도파로에 있어서의 전계 인가 부분의 단면 구조를 나타낸다. 도 2에 나타낸 도파로는, SI-InP 기판(21) 상에 n-InP 클래드층(22), 광도파층(23), SI-InP 클래드층(24), n-InP 클래드층(25)이 순차 적층되고, 광도파층(23)의 상층인 SI-InP 클래드층(24)까지 에칭되어 있다.
도 2에 나타난 반도체 광변조기는 n-InP 클래드층(25)의 상면에 전극(26)을 구비한다. 접지 전극은 광도파층의 하층인 n-InP 클래드층에 접속시킬 필요가 있다. 도 2에 나타난 릿지 도파로 구조는, SI-InP 클래드층(24)의 표면으로부터 n-InP 클래드층(22)까지의 홈(groove)을 구비하고, n-InP 클래드층(22)과 접속되도록 접지 전극(27)이 배치되어 있다.
접지 전극(27)과 n-InP 클래드층(22)을 접속하는 경우에, 접지 전극(27)과 광도파층(23)과의 접촉에 의해, 전압 인가시에 전자가 광도파층(23)에 유입되어 전기광학 특성이 열화할 가능성이 있다. 그렇지만, 광도파층(23)은 도핑(doping)이 되지 않은 층이기 때문에, 접지 전극(27)과 n-InP 클래드층(22)과의 접속 부분(홈)을 릿지 도파로 부분으로부터 충분히 떨어진 장소에 형성함으로써 당해 문제를 해소할 수가 있다.
예를 들면, 도 1에 나타난 반도체 광변조기의 경우, 동작시에는, 전극(16)과 접지 전극(17)과의 사이에 전압을 인가함으로써, 광도파층(13)에 신호 전계(도 1에 있어서, 화살표로 도시)를 발생시킨다. 제1의 실시 형태에서는, n-InP 클래드층(15) 및 n-InP 클래드층(12)은 도전성을 가지고 전극과 같은 역할도 한다. 광도파 층(13)에 전계를 발생시키는 전극의 간격은, 실질적으로는 n-InP 클래드층(15)과 n-InP 클래드층(12)과의 간격이 된다.
이 때문에, 제1의 실시 형태의 반도체 광변조기는, 종래의 예(도 13 참조)와 비교하여 실질적인 전극 간격을 작게 하고, 광도파층(13) 내의 전계강도를 증가시켜 전기광학(electro-optic) 효과를 높일 수가 있다.
다음에, 실질적인 전극 간격을 결정하는, 광도파로(13)와 SI-InP 클래드층(14)과의 층두께, 특히, SI-InP 클래드층(14)의 층두께에 대해서 설명한다.
전극(16) 및 접지 전극(17)을 개재하여, n-InP 클래드층(15)과 n-InP 클래드층(12)과의 사이에 인가 가능한 전압값은, 2개의 n형 반도체층의 사이에 끼워진 SI-InP 클래드층(14)의 내압에 의해 결정된다. 도 3은 SI-InP 클래드층의 두께와 내압의 관계를 나타낸다.
도 3에 나타내듯이, 내압은 SI-InP 클래드층(14)의 층두께가 0.5㎛ 때에 ±2.5V, 층두께가 1.0㎛ 때에 ±7.0V, 층두께가 2.0㎛ 때에 ±25V이다.
여기서, 제1의 실시 형태의 반도체 광변조기는, 종래의 예와 관련되는 반도체 광변조기(도 13 참조)와 비교하여 실질적인 전극 간격(n-InP 클래드층(15)과 n-InP 클래드층(12)과의 간격)이 작기 때문에, 비교적 낮은 인가 전압으로 고강도의 전계를 발생시킬 수가 있어 높은 효율로 전기광학 효과를 이용하는 것이 가능하게 된다.
종래의 예와 관련되는 반도체 광변조기는, 전극 간격이 약 9㎛로 크고, 또, 이에 수반하여 고전압(28V 정도)을 인가할 필요가 있었다. 제1의 실시 형태의 반도 체 광변조기는, 실질적인 전극 간격을 작게 하고, 전기광학 효과의 효율을 향상시킬 수가 있고, 구동 전압의 저전압화, 소자의 소형화 등을 실현하는 것을 가능하게 한다.
제1의 실시 형태의 반도체 광변조기에 있어서의 광도파층(13)과 전극(16)까지의 거리를 약 1㎛ 이하로 하는 경우, 신호광의 손실은 전극(16)을 구성하는 금속에 의해 증대한다. 따라서, 제1의 실시 형태의 반도체 광변조기에 있어서의 광도파층(13)과 전극(16)까지의 거리는 1㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
광도파층(13)으로부터 전극(16)까지의 거리는 n-InP 클래드층(15)과 SI-InP 클래드층(14)의 층두께로 결정된다. 제1의 실시 형태의 반도체 광변조기는 속도 정합과 임피던스 정합을 취하기 때문에 SI-InP 클래드층(14)의 층두께를 작게 하는 경우이어도, n-InP 클래드층(15)의 층두께를 조정(크게)함으로써, 광도파층(13)으로부터 전극(16)까지의 거리를 1㎛ 이상으로 유지할 수가 있다. 따라서, 전극(16)에 의한 광손실을 방지하고, 높은 효율로 전기광학 효과를 이용할 수가 있는 위상 변조부로 하는 것이 가능하다.
도 4A 및 도 4B는, 제1의 실시 형태와 관련되는 InP계 다중양자(multi-quantum) 웰(well) 반도체 광변조기의 밴드 다이어그램을 나타낸다. 도 4A는 전압을 인가하지 않는 상태의 밴드 다이어그램을, 도 4B는 전압을 인가한 상태의 밴드 다이어그램을 나타낸다. 도 4A 및 도 4B는, 도면 우측으로부터, SI-InP 기판 상에 순차 적층한 n-InP 클래드층(12)과, 광도파층(13)과, SI-InP 클래드층(14)과, n-InP 클래드층(15)으로 이루어지는 구조에 대응하는 형태의 밴드 구조를 나타낸다. 도 4A 및 도 4B는 광도파층(13)이 밴드갭(band gap) 파장 1370nm의 도핑(doping)이 되지 않은 다중양자(multi-quantum) 웰(well) 층(MQW)(13a)과, 그 상하에 배치된 밴드갭 파장 1300nm의 도핑(doping)이 되지 않은 InGaAsP 광구속층(light confining layer)(13b)으로 이루어지는 경우의 밴드 구조를 나타낸다.
SI-InP 클래드층(14)의 밴드 구조는, 도핑된 Fe 원자가 깊은 준위에서 이온화 한 억셉터(acceptor)로서 작용함으로써, 이온화 한 억셉터의 전하에 의해 밴드를 굽힐 수 있어 전자(1)에 대한 포텐셜 장벽을 형성한다. 포텐셜 장벽이 전자(1)의 누설 전류를 방지함으로써, 전압 인가시에, 효율적으로 광도파층(13)에 전계가 인가되는 것이 가능하게 된다.
또, 본 발명의 제1의 실시 형태의 반도체 광변조기는, 상술의 형태에 한정되지 않고, 광도파층(13)과 전극(16)과의 사이를 SI-InP 클래드층만으로 하여도 좋다. 또, 본 발명의 제1의 실시 형태의 반도체 광변조기는, 광도파층(13)과 전극(16)과의 사이를 n-InP 클래드층으로 하고, n-InP 클래드층(12) 대신에 SI-InP 클래드층으로 하여도 좋다. 또한, 본 발명의 제1의 실시 형태의 반도체 광변조기는, 광도파층(13)과 전극(16)과의 사이를 n-InP 클래드층으로 하고, n-InP 클래드층(12) 대신에 SI-InP 클래드층과 n-InP 클래드층과의 적층 구조(광도파층(13)의 바로 아래를 SI-InP 클래드층으로 한다)로 하여도 좋다.
이상, 도 1에 나타내는 하이메사 도파로 구조를 가지는 반도체 광변조기에 기초하여 제1의 실시 형태의 설명을 하였지만, 도 2에 나타내는 릿지 도파로 구조를 가지는 반도체 광변조기이어도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
＜제2의 실시 형태＞
도 5는 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기의 개략 외관을 나타낸다. 도 5에 나타내듯이, 마하젠더형 광변조기(60)는, 기판 상에 형성된 입력광을 2분하는 2×2 다중모드 간섭형(MMI : Multi-Mode Interference type) 결합기(coupler)(68a)와, 2분된 광의 위상을 인가된 전압에 기초하여 각각 변조하는 2개의 위상 변조 도파로(69a, 69b)와, 변조된 광을 합파하는 2×2 다중모드 간섭형태 결합기(68b)와, 위상 변조 도파로(69a, 69b)에 전계를 인가하는 신호 전극(66) 및 접지 전극(67)을 구비한다. 여기서, 위상 변조 도파로(69a, 69b)의 길이 L(위상 변조 영역)은 3mm이다.
도 6은 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기의 위상 변조 도파로의 개략 단면을 나타낸다. 도 6에 나타내듯이, 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기는, SI-InP 기판(61) 상에 순차 적층된, n-InP 클래드층(62)과, MQW 및 그 상하면에 배치된 InGaAsP 광구속층으로 이루어지는 광도파층(63)과, SI-InP 클래드층(64)과, n-InP 클래드층(65)과, 도파로 메사 상부에 신호 전극(66)과, 메사 저부(n-InP 클래드층(62) 상)에 접지 전극(67)을 구비한다.
MQW의 흡수 파장은 1370nm이고, 신호광의 1550nm로부터 충분히 떨어진 파장이다. 도파로의 메사폭은 2.0㎛, 메사 높이는 3.0㎛, SI-InP 클래드층(64)의 층두께는 1.0㎛이다.
도 7A 및 도 7B는 본 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기의 위상 변조 도파로의 전압-전류 특성을 나타낸다. 도 7A는 인가한 전압과 누설 전류의 관계 를 나타내고, 도 7B는 도 7A의 전압 0V 이상의 영역에 있어서의 누설 전류를 대수 표시로 나타낸다. 도 7A 및 도 7B는 위상 변조 도파로(69a, 69b)가 누설 전류가 매우 적은 ±15V 정도의 전압 내성을 가지고 있는 것, 및 광도파층(63)과 SI-InP 클래드층(64)에 효과적으로 전압이 인가되고 있는 것을 나타낸다.
층두께 1.0㎛의 SI-InP 클래드층(64)은, 누설 전류 200㎂ 이하의 뛰어난 포텐셜(potential) 장벽 특성을 가지고 있는 것이 이해된다. 또, SI-InP 클래드층(64)의 Fe 도핑량을, 제1의 실시 형태에 있어서의 SI-InP 클래드층(14)(도 1을 참조)의 Fe 도핑량에 비해 많이 함으로써, 내전압은 약 2배로 향상되어 있다.
이상으로부터, SI-InP 클래드층을 포텐셜 장벽으로서 이용함으로써, BRAQWET 구조에 의한 p형 반도체의 장벽에 비해, 제작이 매우 용이하고, 전압 내성이 뛰어난 양질인 장벽을 형성할 수가 있다. 즉, BRAQWET 구조는, 내전압(耐電壓)이 ±2V 정도인데 대해, SI-InP 클래드층을 포텐셜 장벽으로서 이용함으로써, 약 ±15V의 내전압을 얻을 수 있다.
BRAQWET 구조는 MQW에의 전자의 주입에 의해 흡수 계수의 변화 혹은 굴절률의 변화를 이용하는 구조로 되어 있다. 한편, 제1 및 제2의 실시 형태의 광변조기는, 광도파층에의 전압 인가에 의한 포켈스 효과(Pockels Effect)를 이용하는 방법을 이용하고 있다. 제1 및 제2의 실시 형태와 관련되는 방법은, BRAQWET 구조로 이용되는 방법에 비해, 파장 처프(chirp) 및 파장 의존성을 작게 억제할 수가 있다. 제1 및 제2의 실시 형태와 관련되는 방법은, 광변조기에 널리 요구되는 특성을 만족시킬 수가 있다.
상기 문헌 5는 BRAQWET 구조를 이용하는 것을 언급하고 있다. 그러나, 문헌 5는 MQW의 구조에 언급하고 있지 않다. 제1 및 제2의 실시 형태의 도파로 구조는 주된 특징으로서 반절연형 반도체를 전류의 흐름을 저지하는 층으로서 이용한다. 또, 제1 및 제2의 실시 형태의 도파로 구조는, 광도파층에 전자를 주입하지 않고, 전압 인가에 의한 포켈스 효과(Pockels Effect)를 이용한다. 이와 같이, 본 발명은 문헌 5에 기재된 광변조기와는 소자의 구조, 동작 원리가 완전히 다른 도파로 구조를 제공한다.
도 8A 및 도 8B는 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기의 전압 인가시의 투과광 강도의 변화를 나타낸다. 도 8A 및 도 8B는 입력광의 파장을 1520nm∼1620nm로 변화시켜 각 파장에 있어서의 투과광 강도의 변화를 나타낸다. 도 8A는 도 8B에 있어서의 역바이어스(reverse bias) 전압 6V 이하의 영역의 확대도이다. 도 8A 및 도 8B에 나타내듯이, 본 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기는, 입력 광파장 1530nm∼1570nm의 40nm에 걸친 파장 대역에 있어서, 15dB 이상의 소광비를 얻을 수 있고, 역바이어스 전압 2.2V의 동일 동작 조건에서 파장에 의존하지 않는 동작이 가능하다.
또, 도 8A 및 도 8B는 역바이어스 전압을 광의 위상이 역전하는 전압(2Vπ)으로 했을 때에, 투과광 강도의 열화가 없는 것을 나타낸다. 여기서,Vπ라는 것은, 마하젠더형 광변조기에 있어서 소광하기 위해서 필요한 전압이다. 이 특성은 광도파층 영역에서의 광흡수가 거의 없기 때문에 얻어지는 특성이다. BRAQWET 구조와 같은 밴드 준위의 변화를 이용하는 구조에서는, 입력 광파장과 밴드 준위가 밀접하 게 관계하고 있기 때문에, 이러한 파장에 의존하지 않는 특성을 얻을 수 없다.
제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기는, 광도파층의 흡수단 파장을 입력 광파장으로부터 충분히 떨어진 것, 및 포켈스 효과(Pockels Effect)를 이용하는 구조로 함으로써, 상술한 것 같은 파장에 의존하지 않는다, 또, 흡수가 없는 특성을 얻을 수 있다.
종래의 쇼트키(Schottky) 전극형 변조기의 위상 변조 도파로의 길이는 대략 10mm이다. 제2의 실시 형태에서는, 전계 인가 영역을 작게 함으로써, 고효율로 위상 변조를 할 수가 있고, 3mm라고 하는 짧은 위상 변조 도파로에서 충분히 신호광을 변조하는 것이 가능하게 된다.
다음에, 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기에 있어서의 고속 구동 특성에 대해서 설명한다. 본 발명과 관련되는 광변조기의 광도파로는 2개의 전극에 접하는 반도체층이 n형 반도체이다. 본 발명과 관련되는 광변조기의 광도파로는 p형 반도체층을 사용하고 있지 않기 때문에, p형 반도체층에 기인하는 전기신호의 손실이나, 광의 흡수 손실을 회피할 수가 있다. 또, 본 발명과 관련되는 광변조기의 광도파로는, 도파로층의 폭이나, 광도파층과 SI-InP 클래드층으로 이루어지는 전계 인가 영역의 두께를 제어하여 광도파로의 용량 성분을 조정함으로써, 전기신호와 신호광의 속도 조건이나 임피던스 조건을 정합시킬 수가 있다. 본 발명과 관련되는 광변조기의 광도파로는, 속도 조건 및 임피던스 조건이 정합한 진행파형 전극 구조를 채용함으로써, 고속 전기신호에 의해 광을 변조하는 고속 광변조기로서 실현될 수가 있다.
도 9A, 도 9B 및 도 9C는 본 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기의 고주파 신호 구동 특성을 나타내는 그래프이다. 도 9A는 고주파 전기신호와 광변조 신호의 응답 특성을 나타내는 소신호(小信號) 주파수 특성을 나타낸다. 도 9A에 나타내듯이, 주파수 응답이 3dB 다운하는 소신호 주파수 대역은 40GHz이고, 40Gbit/s의 변조에 충분한 대역이 얻어지고 있다. 또, 도 9B는 40Gbit/s에 있어서의 아이다이어그램을 나타낸다. 도 9B에 나타내듯이, 명확한 아이 개구(eye opening)를 확인할 수가 있고, 고속의 광변조가 가능하게 되어 있다. 도 9C는 40Gbit/s로 변조했을 때의 비트 오류율(error rate)을 측정한 결과를 나타낸다. 도 9C에 나타내듯이, 무오류 동작이 실현될 수 있게 되어 있고, 본 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기가 고속 광변조기로서 유용한 것을 알 수 있다.
다음에, 제2의 실시 형태와 관련되는 마하젠더형 광변조기에 있어서의 속도 정합 조건, 임피던스 정합 조건의 메사폭(mesa width)에 대한 허용(tolerance)에 대해서 설명한다. 속도 정합 및 임피던스 정합은, 변조기의 광도파로의 용량 성분을 제어함으로써 얻어진다. 여기서, 광도파로의 용량 성분은, 도파로층의 폭이나, 광도파층과 SI-InP 클래드층으로 이루어지는 전계 인가 영역의 두께를 제어함으로써 조정할 수 있다. 전계 인가 영역의 두께는, 반도체층의 층두께이므로, 에피택셜(eptaxial) 성장에 의해 수십 옹스트롬(angstrom) 단위에서의 정밀한 제어가 가능하다. 한편, 도파로층의 폭은, 반도체 표면의 에칭에 의해 제어되므로, 0.1㎛ 단위에서의 가공 오차가 발생한다.
도 10A는 반절연층 두께 0.8㎛, 1.0㎛, 1.2㎛의 광도파로에 대해서, 속도 정 합 조건의 메사폭 허용을 계산에 의해 구한 결과를 나타낸 그래프이다. 또, 도 10B는 반절연층 두께 0.8㎛, 1.0㎛, 1.2㎛의 광도파로에 대해서, 임피던스 정합 조건의 메사폭 허용을 계산에 의해 구한 결과를 나타낸 그래프이다.
상세하게는, 도 10A는 일정한 두께의 반절연층을 가지는 광도파로의 폭(그래프 횡축)과 이 광도파로에 전기신호를 줄 때의 전기신호의 속도(그래프 종축)와의 관계를 나타낸다. 도 10A에 의하면, 도파로 폭이 커질수록 전기신호의 속도가 늦어지는 것을 알 수 있다. 또, 도 10A에 의하면, 반절연층의 두께가 커질수록 전기신호의 속도가 빨라지는 것을 알 수 있다. 이 결과, 도 10A로부터 알 수 있듯이, 반절연층 두께 1.0㎛의 광도파로가 속도 정합 조건을 만족한다, 즉, 전기신호의 속도와 도파로를 전파하는 신호광의 속도(9.29×107m/s)가 일치하는 것은 도파로 폭이 2.1㎛ 때이다.
40Gbit/s까지의 속도에 있어서의 광변조 특성을 고려하면, 3mm의 위상 변조 영역을 통과한 후의 신호광과 3mm의 신호 전극(66)을 통과한 후의 전기신호와의 속도 부정합에 의한 위상 길이 차이는 150㎛까지 허용할 수가 있다. 허용할 수 있는 150㎛의 위상 길이 차이는, 전기신호의 허용 속도 범위로 환산하면, 8.83×107m/s∼9.75×107m/s가 된다.
이 결과, 속도 정합을 만족시키기 위한 도파로 폭 허용은 속도가 완전하게 정합하는 2.1㎛의 ±0.3㎛인 1.8㎛∼2.4㎛가 된다. 이 허용은 가공 정밀도에 대해서 충분히 넓기 때문에, 다소의 가공 오차가 있어도 수율이 좋은 광변조기가 제작 가능하게 된다.
또, 도 10B는 일정한 두께의 반절연층을 가지는 광도파로의 폭(그래프 횡축)과 이 광도파로에 전기신호를 주는 신호 전극(66)의 특성 임피던스(그래프 종축)와의 관계를 나타낸다. 도 10B에 의하면, 도파로 폭이 커질수록 특성 임피던스가 저하하고, 반절연층의 두께가 커질수록 특성 임피던스가 커지는 것을 알 수 있다. 이 결과, 도 10B로부터 알 수 있듯이, 반절연층 두께 1.0㎛의 광도파로가 임피던스 정합 조건을 만족한다, 즉, 신호 전극(66)의 특성 임피던스가 마하젠더형 광변조기(60)에 접속되는 주변 디바이스의 임피던스 50Ω과 일치하는 것은 도파로 폭 2.1㎛ 때이다.
여기서, 디바이스끼리의 접속에 즈음하여, 5Ω 정도의 임피던스의 차이는 광변조 특성에 영향을 미치지 않는 것을 고려하면, 신호 전극(66)의 특성 임피던스의 허용 범위는 45Ω∼55Ω로 할 수가 있다. 이 결과, 임피던스 정합 조건을 만족시키기 위한 도파로 폭 허용은 임피던스가 완전하게 정합하는 2.1㎛의 ±0.35㎛ 정도의 1.75㎛∼2.45㎛가 된다. 이 허용도 가공 정밀도에 대해서 충분히 넓기 때문에, 가공 오차에 의해 받는 영향이 작고, 고속 변조 가능한 광변조기를 용이하게 제작할 수가 있다.
종래의 반도체 마하젠더형 광변조기는, 집중 정수형의 광변조기의 p형 반도체 부분에서의 광손실이 크고, CR 시정수에 의한 속도 제한 때문에 10Gbit/s 이상의 동작이 곤란하다. 또, 종래의 반도체 마하젠더형 광변조기는, 진행파 전극형의 광변조기의 굴절률의 변조 효율이 작고, 위상 변조부의 소형화가 곤란하고, 동작 전압이 높다.
상술하듯이, 제2의 실시 형태와 관련되는 반도체 마하젠더형 광변조기 및 위상 변조기는, 2개의 n형 도프 클래드층의 사이에, 광도파층과 SI 클래드층을 끼워 넣은 층구조를 가지고, p형 도핑층을 이용하고 있지 않기 때문에, p형 반도체의 광흡수 손실이나 p형 전극의 도체손실이 없고, p형 도핑층에 기인하는 문제가 해소된 광도파로나 진행파형 전극 구조를 실현할 수가 있다.
또, 종래의 진행파형 전극 구조를 가지는 반도체 마하젠더형 광변조기와 비교하여, 제2의 실시 형태와 관련되는 반도체 마하젠더형 광변조기 및 위상 변조기는, 전극층간의 거리를 5㎛ 이하로 하는 것이 가능하기 때문에 전계강도를 크게 할 수가 있다. 따라서, 제2의 실시 형태와 관련되는 반도체 마하젠더형 광변조기 및 위상 변조기는 굴절률의 변조 효율이 커지게 되고, 위상 변조부를 소형화할 수가 있고, 동작 전압을 낮게 하는 것이 가능하다.
또, 제2의 실시 형태와 관련되는 반도체 마하젠더형 광변조기 및 위상 변조기는, 진행파형 전극 구조를 채용함으로써 CR 시정수에 제한되는 일 없고, 10Gbit/s 이상의 고주파 대역에서도 동작이 가능하면서, 변조 효율이 높기 때문에 소자의 소형화, 저전압화가 가능하다.
＜제3의 실시 형태＞
도 11은 제3의 실시 형태와 관련되는 InP계 다중양자(multi-quantum) 웰(well) 반도체 광변조기의 도파로의 개략 단면도이다. 도 11은 도파로에 있어서의 전계 인가 부분의 단면 구조를 나타낸다.
제3의 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기는, SI-InP 기판(41) 상에 n-InP 클래드층(42), SI-InP 클래드층(48), 광도파층(43), SI-InP 클래드층(44), n-InP 클래드층(45)을 순차 적층시킨 적층체를 에칭(etching) 프로세스(process)에 의해 메사(mesa) 형상으로 가공한 광도파로 구조를 가진다.
제3의 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기는, 광도파층(43)과 n-InP 클래드층(42)과의 사이에 SI-InP 클래드층(48)을 마련하고, 광도파층(43)을 SI-InP 클래드층(48, 44)에 의해 끼워 넣은 적층 구조로 한 점에 있어서, 제1의 실시 형태와 다르다.
제3의 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기는, 에칭 프로세스시에, 광도파층(43) 아래(본 실시 형태에서는, n-InP 클래드층(42))까지 에칭한 하이메사 도파로 구조(40)이다.
제3의 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기는, n-InP 클래드층(45)의 상면에 전극(46)과 n-InP 클래드층(42)의 상면에 접지 전극(47)을 구비한다.
전극 구조는, 양쪽 전극간에 고주파 신호를 인가하기 위해, 2개의 접지 전극(47)의 사이에 전극(46)이 끼워진 구조인 코플레나 도파선로(CPW) 구조이다.
도파로 구조는 광도파층 상에서 에칭을 멈추는 릿지 도파로 구조로 하는 것도 가능하다. 도 12는 릿지 도파로 구조(50)를 적용한 제3의 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기의 전계 인가 부분의 단면 구조를 나타낸다. 릿지 도파로 구조(50)를 적용한 제3의 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기는, SI-InP 기판(51) 상에 n-InP 클래드층(52), SI-InP 클래드층(58), 광도파층(53), SI-InP 클래드층(54), n-InP 클래드층(55)을 순차 적층시키고, 광도파층(53)의 상층인 SI-InP 클래드층(54)까지 에칭되어 있다.
도 12에 나타난 반도체 광변조기는, n-InP 클래드층(55)의 상면에 전극(56)을 구비한다. 접지 전극은 광도파층의 하측에 있는 n-InP 클래드층에 접속시킬 필요가 있다. 도 12에 나타난 반도체 광변조기는, SI-InP 클래드층(54)의 표면으로부터 n-InP 클래드층(52)까지의 홈(groove)을 구비하고, n-InP 클래드층(52)과 접속되도록 접지 전극(57)이 설치되어 있다.
접지 전극(57)과 n-InP 클래드층(52)을 접속할 때에, 접지 전극(57)과 광도파층(53)이 접촉하는 문제에 대해서는, 제1의 실시 형태에서 설명했던 대로이다.
동작시에는, 전극(46)과 접지 전극(47)과의 사이에 전압을 인가함으로써, 광도파층(43)에 신호 전계(도 11에 있어서, 화살표로 도시)를 발생시킨다. 제3의 실시 형태의 반도체 광변조기는, n-InP 클래드층(45)과 n-InP 클래드층(42)이 도전성을 가지고 전극과 마찬가지의 역할도 하기 때문에, 실질적인 전극 간격을 작게 할 수가 있어 고효율의 전기광학 효과를 얻을 수 있다.
제3의 실시 형태의 반도체 광변조기는, 실질적인 전극 간격(n-InP 클래드층(45)과 n-InP 클래드층(42)과의 간격)이 작기 때문에, 비교적 낮은 인가 전압에서도 고강도의 전계를 발생시킬 수가 있고, 구동 전압의 저전압화, 소자의 소형화 등을 실현하는 것이 가능하게 된다.
다만, 제3의 실시 형태의 반도체 광변조기는, 제1의 실시 형태의 반도체 광변조기와 비교하여, 실질적인 전극 간격이 SI-InP 클래드층(48)의 정도만큼 크다. 따라서, 전기광학 효과의 효율면 등에서는 제1의 실시 형태의 반도체 광변조기의 쪽이 제3의 실시 형태의 반도체 광변조기보다 우수하다. 그렇지만, 제3의 실시 형태의 반도체 광변조기는, SI-InP 클래드층(44, 48)을 마련하고, 광도파층(43)을 SI-InP 클래드층(44, 48)으로 끼워 넣은 적층 구조로 함으로써, 제3의 실시 형태와 관련되는 반도체 광변조기는, 전압의 인가 방향이 한 방향으로 한정되지 않기 때문에 편리성이 높다고 하는 뛰어난 기능을 가지고 있다.
또, 제3의 실시 형태의 반도체 광변조기에 있어서의 광도파층(43)과 전극(46)까지의 거리는, 제1의 실시 형태의 반도체 광변조기와 마찬가지이고, 1㎛ 이상이 바람직하다. 제3의 실시 형태의 반도체 광변조기는, 전기광학 효과의 효율을 향상시키기 때문에 SI-InP 클래드층(44)의 층두께를 작게 하는 경우이어도, n-InP 클래드층(45)의 층두께를 조정(크게)함으로써, 광도파층(43)으로부터 전극(46)까지의 거리를 1㎛ 이상으로 유지할 수가 있다. 따라서, 제3의 실시 형태의 반도체 광변조기는, 전극(46)에 의한 광손실을 방지하면서, 고효율인 전기광학 효과를 이용할 수가 있는 위상 변조부로 하는 것이 가능하다.
또, 제3의 실시 형태의 반도체 광변조기는, 광도파층(43)과 전극(46)과의 사이를 SI-InP 클래드층만으로 하여도 좋고, 반대로 n-InP 클래드층(42)의 부분을 SI-InP 클래드층으로 하고, 광도파층(43)과 SI-InP 기판(41)과의 사이를 SI-InP 클래드층만으로 하여도 좋다.
이상, 도 11에 나타내는 하이메사 도파로 구조를 가지는 반도체 광변조기에 기초하여 제3의 실시 형태의 설명을 하였지만, 도 12에 나타내는 릿지 도파로 구조 를 가지는 반도체 광변조기이어도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명과 관련되는 반도체 광변조기는, p형 도핑층을 이용하고 있지 않기 때문에, p형 반도체의 광흡수 손실이나 전기신호의 도체손실이 없어 저손실인 광도파로와 진행파형 전극 구조를 실현할 수가 있다. 또, 광도파층의 적어도 일방에 SI 클래드층이 설치됨에 따라서, 광도파층에의 전자의 유입을 방지하면서 전압 인가가 가능하게 되어 있다.
본 발명과 관련되는 반도체 광변조기에서는, 종래의 진행파형 전극 구조의 반도체 광변조기와 비교하여 전극층간의 거리를 5㎛ 이하로 하는 것이 가능하기 때문에 광도파층에 있어서의 전계강도를 크게 할 수가 있다. 이 때문에, 굴절률의 변조 효율이 크고, 위상 변조부를 소형화할 수가 있음과 동시에 동작 전압을 낮게 하는 것이 가능하다.
또, 진행파형 전극 구조를 채용함으로써 집중 정수 전극과 같이 CR 시정수에 제한되는 일이 없이 10Gbit/s 이상의 고주파 대역에서도 동작이 가능하면서, 변조 효율이 높기 때문에 소자의 소형화, 저전압화가 가능하다.

Claims (10)

  1. 기판 상에 순차, 반절연형(semi-insulating type) 클래드층과, 반도체 광도파층과, 반절연형 클래드층이 적층된 층구조를 가지는 반도체 광변조기에 있어서,
    적어도 일방의 상기 반절연형 클래드층에 있어서의, 상기 반도체 광도파층과의 적층면과 대향하는 면을 포함하는 일부 또는 전부가, n형 클래드층인 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기.
  2. 제1항에 있어서,
    도파로 구조가, 하이메사(high-mesa) 도파로 구조 또는 릿지(ridge) 도파로 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 바로 위의 n형 클래드층 또는 반절연형 클래드층과, 상기 기판에 적층된 상기 반도체 광도파층과의 적층면과 대향하는 면을 포함하는 n형 클래드층 또는 반절연형 클래드층과에 전극을 접속하고, 전압 인가를 하는 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전극은, 코플레나(coplanar) 도파선로(waveguide line) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 반도체 광변조기와, 입력광을 2분하는 광분파기와, 상기 반도체 광변조기에 의해 변조된 광을 합파하는 합파기를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 마하젠더형 광변조기.
  6. 기판 상에 순차, n형 클래드층과, 광도파층과 n형 클래드층이 적층된 층구조를 가지는 반도체 광변조기에 있어서,
    반절연형 클래드층이, 상기 n형 클래드층의 적어도 일방과 광도파층과의 사이에 적층된 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기.
  7. 제6항에 있어서,
    도파로 구조가, 하이메사(high-mesa) 도파로 구조 또는 릿지(ridge) 도파로 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 기판의 바로 위의 n형 클래드층 또는 반절연형 클래드층과, 상기 기판에 적층된 상기 반도체 광도파층과의 적층면과 대향하는 면을 포함하는 n형 클래드층 또는 반절연형 클래드층과에 전극을 접속하고, 전압 인가를 하는 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전극은, 코플레나(coplanar) 도파선로(waveguide line) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 광변조기.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항의 반도체 광변조기와, 입력광을 2분하는 광분파기와, 상기 반도체 광변조기에 의해 변조된 광을 합파하는 합파기를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 마하젠더형 광변조기.
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