WO2019163559A1 - 光変調器 - Google Patents

光変調器 Download PDF

Info

Publication number
WO2019163559A1
WO2019163559A1 PCT/JP2019/004584 JP2019004584W WO2019163559A1 WO 2019163559 A1 WO2019163559 A1 WO 2019163559A1 JP 2019004584 W JP2019004584 W JP 2019004584W WO 2019163559 A1 WO2019163559 A1 WO 2019163559A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
core
optical modulator
semiconductor layer
layer
inp
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/004584
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
達郎 開
硴塚　孝明
松尾　慎治
Original Assignee
日本電信電話株式会社
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本電信電話株式会社 filed Critical 日本電信電話株式会社
Priority to EP19757241.5A priority Critical patent/EP3757664B1/en
Priority to US16/971,523 priority patent/US11747659B2/en
Priority to CN201980014478.0A priority patent/CN111758065B/zh
Publication of WO2019163559A1 publication Critical patent/WO2019163559A1/ja

Links

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
    • G02F1/0151—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 modulating the refractive index
    • 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
    • G02F1/025—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 in an optical waveguide 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
    • G02F2201/00—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
    • G02F2201/06—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 integrated waveguide
    • G02F2201/063—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 integrated waveguide ridge; rib; strip loaded

Definitions

  • the present invention relates to an optical modulator using a core composed of an InP-based semiconductor.
  • the optical modulator is a key device for large-capacity optical communication.
  • a portion such as a core where light modulation is performed is made of various materials such as lithium niobate (LiNbO 3 ), InP-based material, and silicon (Si).
  • InP-based materials can have a large refractive index change due to FK (Franz-Keldysh) effect, Pockels effect, QCSE (Quantum Confined Stark Effect) effect, carrier plasma effect, band filling effect, etc. It is promising as a material for modulators.
  • Patent Document 1 As shown in FIG. 3, a refractive index control layer 302 made of n-type InGaAsP is provided on an n-type clad layer 301 made of InP, and a p-type clad layer made of InP is formed thereon.
  • An optical modulator with a refractive index control region 303 is described.
  • Patent Document 1 reports that by applying a reverse bias to the refractive index control layer 302 serving as a core, the refractive index can be modulated by the FK effect, the carrier plasma effect, and the band filling effect.
  • the optical modulator in which the above-described core is made of an InP-based material, it is necessary to enlarge a portion where the electric field distribution of light and the charge depletion region overlap in order to improve the modulation efficiency.
  • the cladding layer sandwiching this layer up and down with respect to InGaAsP constituting the core is composed of an InP-based semiconductor such as InP. Therefore, there is a problem that the refractive index difference between them cannot be increased, and it is not easy to increase the portion where the light electric field distribution and the charge depletion region overlap, and it is not easy to improve the modulation efficiency. there were.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to make it possible to more easily improve the modulation efficiency in an optical modulator using a core composed of an InP-based semiconductor.
  • An optical modulator includes a lower clad layer having a refractive index lower than that of InP formed on a substrate, and a band gap corresponding to a desired wavelength formed on the lower clad layer.
  • the core may be made of InGaAsP. Further, the lower cladding layer and the upper cladding layer may be made of silicon oxide.
  • the electric field applying means includes a first conductive type first semiconductor layer and a second conductive type second semiconductor layer formed by sandwiching the core in a direction horizontal to the plane of the substrate. .
  • the core may be composed of a first conductivity type first core and a second conductivity type second core.
  • the first core and the second core may be formed in a state arranged in a direction parallel to the plane of the substrate, and the first core and the second core are stacked on the lower cladding layer. May be formed.
  • the first semiconductor layer is formed in contact with only the first core in the core, and on the other side of the core, the second semiconductor layer is in the core. It may be formed in contact with only the second core.
  • the lower clad layer and the upper clad layer having a refractive index equal to or lower than the refractive index of InP are disposed above and below the core composed of the InP-based semiconductor, In an optical modulator using a core composed of a semiconductor, an excellent effect that modulation efficiency can be improved more easily is obtained.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing a configuration of an optical modulator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing the configuration of another optical modulator according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1C is a cross-sectional view showing a configuration of another optical modulator according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1D is a cross-sectional view showing a configuration of another optical modulator according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1E is a cross-sectional view showing the configuration of another optical modulator according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1F is a cross-sectional view showing a configuration of another optical modulator according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1G is a cross-sectional view showing a configuration of another optical modulator according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1H is a cross-sectional view showing a configuration of another optical modulator according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1I is a cross-sectional view showing the configuration of another optical modulator according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a plan view schematically showing a partial configuration of the optical modulator according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a plan view schematically showing a partial configuration of the optical modulator according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a partial configuration of a conventional optical modulator.
  • FIGS. 1A to 1I show cross sections perpendicular to the waveguide direction.
  • the optical modulator according to the embodiment is formed on a lower clad layer 102 formed on a substrate 101, a core 103 formed on the lower clad layer 102, and a core 103.
  • the upper clad layer 104 is provided.
  • the lower cladding layer 102, the core 103, and the upper cladding layer 104 constitute an optical waveguide.
  • the lower clad layer 102, the core 103, and the upper clad layer 104 may constitute an optical waveguide that satisfies the single mode condition.
  • the refractive index of the lower cladding layer 102 and the upper cladding layer 104 is set to be equal to or lower than the refractive index of InP.
  • the lower cladding layer 102 and the upper cladding layer 104 are made of, for example, silicon oxide.
  • the core 103 is composed of an InP-based semiconductor having a band gap corresponding to a desired wavelength.
  • the core 103 is made of, for example, InGaAsP.
  • the wavelength of light to be modulated is the 1.5 ⁇ m band that is the communication wavelength band.
  • the substrate 101 may be a silicon substrate, for example.
  • the lower cladding layer 102 and the upper cladding layer 104 may be made of a material having a refractive index smaller than that of InP, and are not limited to silicon oxide.
  • the optical modulator includes a first conductivity type first semiconductor layer 105 and a second conductivity type second semiconductor layer 106 formed by sandwiching the core 103 in a direction horizontal to the plane of the substrate 101.
  • the first conductivity type is, for example, n-type
  • the second conductivity type is, for example, p-type.
  • a first electrode 107 is formed in ohmic connection on the first semiconductor layer 105
  • a second electrode 108 is formed in ohmic connection on the second semiconductor layer 106.
  • the first semiconductor layer 105, the second semiconductor layer 106, the first electrode 107, and the second electrode 108 constitute an electric field applying unit for the core 103.
  • the first electrode 107 and the second electrode 108 are arranged so as not to overlap the core 103 in plan view.
  • the first semiconductor layer 105 and the second semiconductor layer 106 have a refractive index smaller than that of the core 103, and also function as claddings that confine light to the core 103 in a direction parallel to the plane of the substrate 101.
  • an n-type or p-type impurity is introduced into the core 103 to have a conductive type.
  • an electric field is applied to the core 103 by the above-described electric field applying means, a part of the core 103 is depleted and the phase of light propagating (guided) in the optical waveguide is modulated.
  • the core 103 can be made thin in a state where light absorption by the electrode is reduced. The diameter can be reduced.
  • the lower cladding layer 102 and the upper cladding layer 104 are made of a material whose refractive index is less than that of InP, such as silicon oxide.
  • the optical confinement with respect to the core 103 becomes stronger than in the case where it is made of a semiconductor. As a result, a portion where the electric field distribution of the propagation light and the charge depletion region overlap in the core 103 can be increased, and the modulation efficiency can be improved more easily.
  • a method for manufacturing the optical modulator in the above-described embodiment will be briefly described.
  • a growth substrate made of InP is prepared, and a growth layer made of InGaAsP is epitaxially grown on the growth substrate by a well-known metal organic chemical vapor deposition method.
  • the grown layer is patterned by a known lithography technique and etching technique to form the core 103.
  • the first semiconductor layer 105 and the second semiconductor layer 106 are formed by regrowth of InP on the growth substrates on both sides of the core 103.
  • the substrate 101 on which the lower clad layer 102 is formed on the core 103, the first semiconductor layer 105, and the second semiconductor layer 106 formed on the growth substrate is bonded by a known bonding technique.
  • the lower clad layer 102 may be formed by depositing silicon oxide on a substrate 101 made of silicon by a known deposition method such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Thereafter, by removing the growth substrate, the lower clad layer 102 is formed on the substrate 101, and the core 103, the first semiconductor layer 105, and the second semiconductor layer 106 are formed on the lower clad layer 102. State.
  • the first electrode 107 and the second electrode 108 are formed on the first semiconductor layer 105 and the second semiconductor layer 106. Thereafter, by depositing silicon oxide on the first semiconductor layer 105, the second semiconductor layer 106, and the core 103 on which the first electrode 107 and the second electrode 108 are formed by sputtering or the like, the upper cladding layer 104 is formed.
  • the optical modulator according to the above-described embodiment is formed.
  • the semiconductor layer 111 and the semiconductor layer 112 may be arranged above and below the core 103.
  • the semiconductor layer 111 and the semiconductor layer 112 are made of InP, for example.
  • the first electrode 107 may be connected to the first semiconductor layer 105 through the contact layer 113.
  • the second electrode 108 may be connected to the second semiconductor layer 106 through the contact layer 114.
  • the contact layer 113 and the contact layer 114 may be made of InGaAs, for example.
  • the contact layer 113 is formed by introducing a first conductivity type impurity at a higher concentration
  • the contact layer 114 is formed by introducing a second conductivity type first conductivity type impurity at a higher concentration. That's fine.
  • the core 103 may have, for example, a multiple quantum well structure. Note that the core 103 may be in an undoped state.
  • the core 103 may be composed of a first conductive type first core 131 and a second conductive type second core 132.
  • the first core 131 and the second core 132 are formed in a state arranged in a direction parallel to the plane of the substrate 101. In this way, by configuring the core 103 from the first core 131 and the second core 132, the peak of the photoelectric field is close to the pn junction (charge depletion region), and the overlapping portion increases, Promising for high modulation efficiency.
  • an acceptor introduced into the p-type second core 132 has a large light absorption coefficient, while the amount of change in the refractive index due to the carrier plasma effect is very small. For this reason, the density of the acceptor should be lower than the density of the donor introduced into the n-type first core 131 so that the second core 132 is easily depleted.
  • the first conductive type first core 133 and the second conductive type second core 134 may be formed on the lower clad layer 102.
  • both the first core 133 and the second core 134 that constitute the core 103 are formed in contact with the first semiconductor layer 105 and the second semiconductor layer 106.
  • an electric field is also applied to the core 103 in a direction perpendicular to the plane of the substrate 101. Since the mode diameter of light propagating through the core 103 is smaller in the direction perpendicular to the substrate 101, this structure in which the depletion layer spreads in the vertical direction has a larger overlap between the light and the depletion region.
  • the semiconductor layer 111 and the semiconductor layer 112 may have a conductivity type by introducing impurities.
  • the semiconductor layer 111 may be a first conductivity type and the semiconductor layer 112 may be a second conductivity type.
  • the semiconductor layer 111 and the semiconductor layer 112 are made of InP, as shown in FIG. 1E, the first conductivity type first formed by sandwiching the core 103 in a direction horizontal and perpendicular to the plane of the substrate 101.
  • the semiconductor layer 151 and the second conductivity type second semiconductor layer 161 are provided.
  • a first conductivity type first semiconductor layer 152 and a second conductivity type second semiconductor layer 162 are formed with the core 103 sandwiched in a direction horizontal to the plane of the substrate 101. It may be.
  • the first semiconductor layer 152 and the second semiconductor layer 162 are thin on both sides of the core 103. This thinned portion is filled with the upper cladding layer 141.
  • the optical confinement with respect to the core 103 can be further improved, which is promising for high modulation efficiency.
  • the first semiconductor layer 152 and the second semiconductor layer 162 need not have a function as a cladding.
  • the lower surface of the core 103 is formed on the lower cladding layer 102 and the upper cladding layer 141 is formed on the upper surface of the core 103, as shown in FIG. 1G. It is good also as a structure to be.
  • This configuration is a state in which the semiconductor layer 111 and the semiconductor layer 112 illustrated in FIG. 1F are not present.
  • the first semiconductor layer 153 is formed in contact with only the first core 133 in the core 103, and on the other side of the core 103, the second semiconductor layer 153 is formed.
  • the semiconductor layer 163 may be formed in contact with only the second core 134 in the core 103.
  • the first semiconductor layer 153 is a first conductivity type (for example, n-type), and the second semiconductor layer 163 is a second conductivity type (for example, p-type).
  • the second core 134 is formed with a lateral cladding layer 115 made of a semi-insulating semiconductor in contact therewith.
  • the first core 133 is formed in contact with a lateral cladding layer 116 made of a semi-insulating semiconductor.
  • the first semiconductor layer 153, the second semiconductor layer 163, the lateral cladding layer 115, and the lateral cladding layer 116 may be made of InP, for example.
  • the lateral cladding layer 115 and the lateral cladding layer 116 may be made of InP made semi-insulating by doping Fe.
  • the lateral cladding layer 115 and the lateral cladding layer 116 may be made of an insulator such as SiO 2 or air.
  • a first conductive type first semiconductor layer 154 and a second conductive type second semiconductor layer 164 may be formed on the lower cladding layer 102.
  • the first semiconductor layer 154 is formed away from the lower cladding layer 102 in the core formation region 201. Further, a lateral cladding layer 117 composed of an air layer is provided between the lower cladding layer 102 and the first semiconductor layer 154 in a region separated from the lower cladding layer 102.
  • the second semiconductor layer 164 is formed away from the upper cladding layer 142 in the core formation region 201. Further, the first semiconductor layer 154 is disposed between the second semiconductor layer 164 and the upper clad layer 142 in a region separated from the upper clad layer 142 in the core formation region 201.
  • the core formation region 201 a part of the first semiconductor layer 154 and a part of the second semiconductor layer 164 are stacked to constitute the core 103.
  • the first semiconductor layer 154 in the core formation region 201 becomes the first core 135 of the first conductivity type
  • the second semiconductor layer 164 in the core formation region 201 becomes the second core 136 of the second conductivity type.
  • the core 103 made of InGaAsP is composed of a first conductivity type portion and a second conductivity type portion, and these (pn junction) are formed as a lower cladding.
  • the extending direction of the core 103 is preferably aligned with the crystal direction of InGaAsP.
  • the top surface of the core 103 made of InGaAsP is (001) as shown in FIG. 2A.
  • the extending direction of the core 103 is preferably the [110] axis direction of InGaAsP.
  • an electric field is applied to the core 103 in the direction perpendicular to the substrate 101, so that the Pockels effect contributes to a change in refractive index.
  • the sign of the refractive index change due to the Pockels effect coincides with the FK effect, the carrier plasma effect, and the band filling effect. For this reason, a large amount of refractive index change can be obtained with respect to the reverse bias applied to the core 103.
  • the top surface of the core 103 made of InGaAsP is (001) as shown in FIG. 2B.
  • the extending direction of the core 103 is preferably the [1-10] axis direction of InGaAsP. This is because in this configuration, the direction of the electric field is opposite to that described above with respect to the achieved configuration.
  • the lower clad layer and the upper clad layer having a refractive index equal to or lower than the refractive index of InP are disposed above and below the core composed of an InP-based semiconductor.
  • the modulation efficiency can be improved more easily.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

ＩｎＰ系の半導体から構成したコアを用いる光変調器において、変調効率がより容易に向上できるようにする。　基板１０１の上に形成された下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成されたコア１０３と、コア１０３の上に形成された上部クラッド層１０４とを備える。コア１０３は、所望とする波長に対応するバンドギャップのＩｎＰ系の半導体から構成されている。下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４の屈折率は、ＩｎＰの屈折率以下とされている。

Description

光変調器
　本発明は、ＩｎＰ系の半導体から構成したコアによる光変調器に関する。
　光変調器は、大容量光通信のキーデバイスである。この光変調器において、コアなどの光変調が行われる部分は、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ3）、ＩｎＰ系材料、シリコン（Ｓｉ）など様々な材料で作製されている。この中で、ＩｎＰ系材料は、Ｆ－Ｋ（Franz-Keldysh）効果、ポッケルス効果、ＱＣＳＥ（Quantum Confined Stark Effect）効果、キャリアプラズマ効果、バンドフィリング効果などにより、大きな屈折率変化が可能であり、変調器の材料として有望である。
　例えば、特許文献１には、図３に示すように、ＩｎＰからなるｎ型クラッド層３０１の上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる屈折率制御層３０２を設け、この上にＩｎＰからなるｐ型クラッド層３０３を配置した屈折率制御領域を備える光変調器について記載されている。特許文献１には、コアとなる屈折率制御層３０２に逆バイアスを印加することで、Ｆ－Ｋ効果、キャリアプラズマ効果、バンドフィリング効果による屈折率変調が可能となることが報告されている。
特開２０１０－１１３０８４号公報
　ところで、上述したコアをＩｎＰ系材料から構成した光変調器では、変調効率を向上するためには、光の電場分布と電荷空乏化領域とが重なる部分を大きくすることが必要となる。このためには、光閉じ込めが大きくなるように、コアとクラッドとの間の屈折率差を大きくすることが重要となる。しかし、従来の光変調器は、コアを構成しているＩｎＧａＡｓＰに対し、この層を上下に挾むクラッド層がＩｎＰなどのＩｎＰ系の半導体から構成されている。このため、これらの間の屈折率差が大きくできず、光の電場分布と電荷空乏化領域とが重なる部分を大きくすることが容易ではなく、変調効率を向上させることが容易ではないという問題があった。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＩｎＰ系の半導体から構成したコアを用いる光変調器において、変調効率がより容易に向上できるようにすることを目的とする。
　本発明に係る光変調器は、基板の上に形成されたＩｎＰの屈折率以下の屈折率とされた下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成された所望とする波長に対応するバンドギャップのＩｎＰ系の半導体から構成されたコアと、コアの上に形成されたＩｎＰの屈折率以下の屈折率とされた上部クラッド層と、コアに電界を印加する電界印加手段とを備える。
　上記光変調器において、コアは、ＩｎＧａＡｓＰから構成されていればよい。また、下部クラッド層および上部クラッド層は、酸化シリコンから構成されていればよい。
　上記光変調器において、電界印加手段は、基板の平面に水平な方向でコアを挾んで形成された第１導電型の第１半導体層および第２導電型の第２半導体層から構成されている。
　上記光変調器において、コアは、第１導電型の第１コアと第２導電型の第２コアとから構成されていてもよい。この場合、第１コアおよび第２コアは、基板の平面に平行な方向に配列された状態で形成されていてもよく、第１コアおよび第２コアは、下部クラッド層の上に積層した状態で形成されていてもよい。
　上記光変調器において、コアの一方の側において、第１半導体層が、コアのなかで第１コアのみに接して形成され、コアの他方の側において、第２半導体層が、コアのなかで第２コアのみに接して形成されているようにしてもよい。
　以上説明したように、本発明によれば、ＩｎＰ系の半導体から構成したコアの上下に、ＩｎＰの屈折率以下の屈折率とされた下部クラッド層および上部クラッド層を配置したので、ＩｎＰ系の半導体から構成したコアを用いる光変調器において、変調効率がより容易に向上できるという優れた効果が得られる。
図１Ａは、本発明の実施の形態における光変調器の構成を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。 図１Ｃは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。 図１Ｄは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。 図１Ｅは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。 図１Ｆは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。 図１Ｇは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。 図１Ｈは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。 図１Ｉは、本発明の実施の形態における他の光変調器の構成を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態における光変調器の一部構成を模式的に示す平面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態における光変調器の一部構成を模式的に示す平面図である。 図３は、従来の光変調器の一部構成を示す断面図である。
　以下、本発明の実施の形態おける光変調器について図１Ａ～図１Ｉを参照して説明する。なお、図１Ａ～図１Ｉは、導波方向に垂直な断面を示している。
　実施の形態における光変調器は、図１Ａに示すように、基板１０１の上に形成された下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成されたコア１０３と、コア１０３の上に形成された上部クラッド層１０４とを備える。下部クラッド層１０２とコア１０３と上部クラッド層１０４とにより、光導波路が構成される。例えば、下部クラッド層１０２とコア１０３と上部クラッド層１０４とにより、シングルモード条件を満たす光導波路が構成されればよい。
　下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４の屈折率は、ＩｎＰの屈折率以下とされている。下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４は、例えば、酸化シリコンから構成されている。コア１０３は、所望とする波長に対応するバンドギャップのＩｎＰ系の半導体から構成されている。コア１０３は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰから構成されている。この場合、変調の対象となる光の波長は、通信波長帯である１．５μｍ帯となる。なお、基板１０１は、例えば、シリコン基板であればよい。また、下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４は、ＩｎＰより屈折率が小さい材料から構成すればよく、酸化シリコンに限るものではない。
　なお、この光変調器は、基板１０１の平面に水平な方向でコア１０３を挾んで形成された第１導電型の第１半導体層１０５および第２導電型の第２半導体層１０６を備える。第１導電型は、例えばｎ型であり、第２導電型は、例えばｐ型である。また、第１半導体層１０５には、第１電極１０７がオーミック接続して形成され、第２半導体層１０６には、第２電極１０８がオーミック接続して形成されている。
　これら、第１半導体層１０５、第２半導体層１０６、第１電極１０７、第２電極１０８により、コア１０３に対する電界印加手段が構成されている。第１電極１０７、第２電極１０８は、平面視でコア１０３と重ならないように配置される。なお、第１半導体層１０５、第２半導体層１０６は、コア１０３より小さい屈折率とされており、基板１０１の平面に平行な方向で、コア１０３に光閉じ込めを行うクラッドとしても機能する。
　なお、コア１０３には、ｎ型またはｐ型の不純物が導入されて導電型を有する状態とされている。上述した電界印加手段によりコア１０３に電界を印加すると、コア１０３の一部が空乏化し、光導波路を伝搬（導波）する光の位相が変調される。前述したように、各電極は、平面視でコア１０３と重ならないように配置されているので、電極による光吸収が低減される状態で、コア１０３を薄くすることができるため、伝搬光モードフィールド径を小さくすることができる。
　また、上述した実施の形態における光変調器によれば、酸化シリコンなどの屈折率がＩｎＰの屈折率以下の材料により、下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４を構成したので、これらをＩｎＰ系の半導体から構成する場合に比較して、コア１０３に対する光閉じ込めが強くなる。これにより、コア１０３における伝播光の電場分布と電荷空乏化領域とが重なる部分を大きくすることができ、変調効率を向上させることがより容易に実現できるようになる。
　ここで、上述した実施の形態における光変調器の製造方法について、簡単に説明する。例えば、ＩｎＰからなる成長基板を用意し、よく知られた有機金属気相成長法により、成長基板の上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる成長層をエピタキシャル成長する。次に、成長させた成長層を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングし、コア１０３を形成する。次に、コア１０３の両脇の成長基板にＩｎＰを再成長させることで、第１半導体層１０５および第２半導体層１０６を形成する。
　次に、成長基板の上に形成したコア１０３，第１半導体層１０５，および第２半導体層１０６の上に、下部クラッド層１０２が形成されている基板１０１を、公知の貼り合わせ技術により貼り合わせる。例えば、シリコンからなる基板１０１の上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などの公知の堆積法により酸化シリコンを堆積することで、下部クラッド層１０２を形成しておけばよい。この後、成長基板を除去することで、基板１０１の上に、下部クラッド層１０２が形成され、下部クラッド層１０２の上にコア１０３，第１半導体層１０５，および第２半導体層１０６が形成された状態とする。
　次に、第１半導体層１０５および第２半導体層１０６に、第１電極１０７および第２電極１０８を形成する。この後、スパッタ法などにより、第１電極１０７，第２電極１０８を形成した第１半導体層１０５，第２半導体層１０６およびコア１０３の上に酸化シリコンを堆積することで、上部クラッド層１０４を形成し、上述した実施の形態における光変調器とする。
　ところで、図１Ｂに示すように、コア１０３の上下に半導体層１１１，半導体層１１２が配置されていてもよい。半導体層１１１，半導体層１１２は、例えば、ＩｎＰから構成されている。また、第１半導体層１０５の上にコンタクト層１１３を介して第１電極１０７を接続してもよい。同様に、第２半導体層１０６の上にコンタクト層１１４を介して第２電極１０８を接続してもよい。コンタクト層１１３，コンタクト層１１４は、例えば、ＩｎＧａＡｓから構成すればよい。また、コンタクト層１１３は、第１導電型の不純物をより高濃度に導入して形成し、コンタクト層１１４は、第２導電型の第１導電型の不純物をより高濃度に導入して形成すればよい。
　また、コア１０３は、例えば、多重量子井戸構造としてもよい。なお、コア１０３は、アンドープの状態としてもよい。
　また、図１Ｃに示すように、コア１０３は、第１導電型の第１コア１３１と第２導電型の第２コア１３２とから構成されているようにしてもよい。この例では、第１コア１３１および第２コア１３２は、基板１０１の平面に平行な方向に配列された状態で形成されている。このように、コア１０３を第１コア１３１と第２コア１３２とから構成することで、光電場のピークとｐ－ｎ接合（電荷空乏化領域）が近く、これらが重なる部分が大きくなるり、高変調効率化に有望である。
　コア１０３をＩｎＧａＡｓＰから構成する場合、例えばｐ型とする第２コア１３２に導入するアクセプタは、大きな光吸収係数を有する一方でキャリアプラズマ効果による屈折率変化量は非常に小さい。このため、上記アクセプタの密度は、ｎ型とする第１コア１３１に導入するドナーの密度よりも低くし、第２コア１３２が空乏化しやすいようにした方が良い。
　また、図１Ｄに示すように、第１導電型の第１コア１３３および第２導電型の第２コア１３４を、下部クラッド層１０２の上に積層した状態で形成してもよい。この構成とすることで、コア１０３を構成する２つの第１コア１３３および第２コア１３４の両者が、第１半導体層１０５および第２半導体層１０６に接して形成されることになる。この構成とした場合、コア１０３には、基板１０１の平面に垂直な方向にも電界が印加される。コア１０３を伝搬する光のモード径は、基板１０１に対して垂直方向の方が小さいため、垂直方向に空乏層が広がるこの構造は、光と空乏領域との重なり部分がより大きくなる。
　ところで、半導体層１１１，半導体層１１２は、不純物が導入されて導電型を備えるものとしてもよい。例えば、半導体層１１１を第１導電型とし、半導体層１１２を第２導電型とすればよい。半導体層１１１，半導体層１１２をＩｎＰから構成する場合、図１Ｅに示すように、基板１０１の平面に水平な方向および垂直な方向で、コア１０３を挾んで形成された第１導電型の第１半導体層１５１および第２導電型の第２半導体層１６１を備える構成となる。
　また、図１Ｆに示すように、基板１０１の平面に水平な方向でコア１０３を挾んで形成された第１導電型の第１半導体層１５２および第２導電型の第２半導体層１６２を備えるようにしてもよい。第１半導体層１５２および第２半導体層１６２は、コア１０３の両脇の部分が薄くされている。この薄くされている部分が、上部クラッド層１４１により埋め込まれている。この構成とすることで、コア１０３に対する光閉じ込めを更に向上することが可能となり、高変調効率化に有望である。なお、この場合、第１半導体層１５２および第２半導体層１６２には、クラッドとしての機能が備えられている必要ない。
　また、図１Ｆを用いて説明した構成について、図１Ｇに示すように、コア１０３の下面が下部クラッド層１０２の上に接して形成され、コア１０３の上面に上部クラッド層１４１が接して形成される構成としてもよい。この構成は、図１Ｆに示す半導体層１１１，半導体層１１２がない状態である。
　また、図１Ｈに示すように、コア１０３の一方の側において、第１半導体層１５３が、コア１０３のなかで第１コア１３３のみに接して形成され、コア１０３の他方の側において、第２半導体層１６３が、コア１０３のなかで第２コア１３４のみに接して形成されているようにしてもよい。第１半導体層１５３は、第１導電型（例えばｎ型）とされ、第２半導体層１６３は、第２導電型（例えばｐ型）とされている。
　なお、コア１０３の一方の側において、第２コア１３４には、半絶縁性の半導体からなる横クラッド層１１５が接して形成されている。また、コア１０３の他方の側において、第１コア１３３には、半絶縁性の半導体からなる横クラッド層１１６が接して形成されている。第１半導体層１５３，第２半導体層１６３，横クラッド層１１５，横クラッド層１１６は、例えば、ＩｎＰから構成すればよい。例えば、Ｆｅをドープすることで半絶縁性としたＩｎＰから横クラッド層１１５，横クラッド層１１６を構成すればよい。
　上述したように構成することで、コア１０３を導波する光の電場分布と電荷空乏化領域とが重なる部分が大きい、基板１０１に垂直方向にはｐ－ｎ接合が形成され、ここには電界が印加される。一方、コア１０３を導波する光の電場分布と電荷空乏化領域とが重なる部分が小さい、基板１０１の平面に水平方向には、ｐ－ｎ接合が形成されない。これらのことにより、低寄生容量化が可能となり、高速化に有利となる。なお、横クラッド層１１５，横クラッド層１１６は、ＳｉＯ2等の絶縁体もしくは空気から構成してもよい。
　また、図１Ｉに示すように、下部クラッド層１０２の上に、第１導電型の第１半導体層１５４および第２導電型の第２半導体層１６４を形成するようにしてもよい。
　第１半導体層１５４は、コア形成領域２０１において、下部クラッド層１０２から離間して形成されている。また、下部クラッド層１０２から離間している領域において、下部クラッド層１０２と第１半導体層１５４との間には、空気の層から構成された横クラッド層１１７を備える。一方、第２半導体層１６４は、コア形成領域２０１において、上部クラッド層１４２から離間して形成されている。また、コア形成領域２０１における上部クラッド層１４２から離間している領域において、第２半導体層１６４と上部クラッド層１４２との間には、第１半導体層１５４が配置されている。
　上述した構成の光変調器では、コア形成領域２０１において、第１半導体層１５４の一部と、第２半導体層１６４の一部とが積層してコア１０３を構成している。コア形成領域２０１における第１半導体層１５４は、第１導電型の第１コア１３５となり、コア形成領域２０１における第２半導体層１６４は、第２導電型の第２コア１３６となる。
　ところで、図１Ｄ，図１Ｈ，図１Ｉを用いて説明したように、ＩｎＧａＡｓＰからなるコア１０３を第１導電型の部分と第２導電型の部分とから構成し、これら（ｐｎ接合）を下部クラッド層１０２の上に積層した状態とする場合は、コア１０３の延在方向を、ＩｎＧａＡｓＰの結晶方向に揃えるようにするとよい。
　例えば、基板の側にｐ型の第１コアを配置し、この上にｎ型の第２コアを配置する場合、図２Ａに示すように、ＩｎＧａＡｓＰからなるコア１０３の上面は、（００１）とし、コア１０３の延在する方向（光モードの伝搬方向）は、ＩｎＧａＡｓＰの［１１０］軸方向とするとよい。この構成では、コア１０３に対して基板１０１の垂直方向に電界を印加するため、ポッケルス効果が屈折率変化に寄与するためである。コア１０３の延在方向を上記［１１０］方向とすることで、ポッケルス効果による屈折率変化の符号は、Ｆ－Ｋ効果、キャリアプラズマ効果、バンドフィリング効果と一致する。このため、コア１０３に印加される逆バイアスに対して大きな屈折率変化量が得られる。
　また、基板の側にｎ型の第１コアを配置し、この上にｐ型の第２コアを配置する場合、図２Ｂに示すように、ＩｎＧａＡｓＰからなるコア１０３の上面は、（００１）とし、コア１０３の延在する方向（光モードの伝搬方向）は、ＩｎＧａＡｓＰの［１－１０］軸方向とするとよい。これば、この構成では、成就した構成に対して電界の方向が上述の場合と逆になるためである。
　以上に説明したように、本発明によれば、ＩｎＰ系の半導体から構成したコアの上下に、ＩｎＰの屈折率以下の屈折率とされた下部クラッド層および上部クラッド層を配置したので、ＩｎＰ系の半導体から構成したコアを用いる光変調器において、変調効率がより容易に向上できるようになる。
　なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
　１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…コア、１０４…上部クラッド層、１０５…第１半導体層、１０６…第２半導体層、１０７…第１電極、１０８…第２電極。

Claims (8)

  1. 　基板の上に形成されたＩｎＰの屈折率以下の屈折率とされた下部クラッド層と、
    　前記下部クラッド層の上に形成された所望とする波長に対応するバンドギャップのＩｎＰ系の半導体から構成されたコアと、
    　前記コアの上に形成されたＩｎＰの屈折率以下の屈折率とされた上部クラッド層と、
    　前記コアに電界を印加する電界印加手段と
    　を備えることを特徴とする光変調器。
  2. 　請求項１記載の光変調器において、
    　前記コアは、ＩｎＧａＡｓＰから構成されていることを特徴とする光変調器。
  3. 　請求項１または２記載の光変調器において、
    　前記下部クラッド層および前記上部クラッド層は、酸化シリコンから構成されていることを特徴とする光変調器。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の光変調器において、
    　前記電界印加手段は、前記基板の平面に水平な方向で前記コアを挾んで形成された第１導電型の第１半導体層および第２導電型の第２半導体層から構成されている
    　ことを特徴とする光変調器。
  5. 　請求項４記載の光変調器において、
    　前記コアは、第１導電型の第１コアと第２導電型の第２コアとから構成されていることを特徴とする光変調器。
  6. 　請求項５記載の光変調器において、
    　前記第１コアおよび前記第２コアは、前記基板の平面に平行な方向に配列された状態で形成されていることを特徴とする光変調器。
  7. 　請求項５記載の光変調器において、
    　前記第１コアおよび前記第２コアは、前記下部クラッド層の上に積層した状態で形成されていることを特徴とする光変調器。
  8. 　請求項７記載の光変調器において、
    　前記コアの一方の側において、前記第１半導体層が、前記コアのなかで前記第１コアのみに接して形成され、
    　前記コアの他方の側において、前記第２半導体層が、前記コアのなかで前記第２コアのみに接して形成されている
    　ことを特徴とする光変調器。
PCT/JP2019/004584 2018-02-22 2019-02-08 光変調器 WO2019163559A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP19757241.5A EP3757664B1 (en) 2018-02-22 2019-02-08 Optical modulator
US16/971,523 US11747659B2 (en) 2018-02-22 2019-02-08 Optical modulator
CN201980014478.0A CN111758065B (zh) 2018-02-22 2019-02-08 光调制器

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018029445A JP6922781B2 (ja) 2018-02-22 2018-02-22 光変調器
JP2018-029445 2018-02-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019163559A1 true WO2019163559A1 (ja) 2019-08-29

Family

ID=67688108

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/004584 WO2019163559A1 (ja) 2018-02-22 2019-02-08 光変調器

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11747659B2 (ja)
EP (1) EP3757664B1 (ja)
JP (1) JP6922781B2 (ja)
CN (1) CN111758065B (ja)
WO (1) WO2019163559A1 (ja)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010113084A (ja) 2008-11-05 2010-05-20 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光信号処理装置
US20110206313A1 (en) * 2010-02-19 2011-08-25 Po Dong Reducing optical loss in an optical modulator using depletion region
US20130301975A1 (en) * 2012-04-13 2013-11-14 Skorpios Technologies, Inc. Hybrid optical modulator
JP2017040841A (ja) * 2015-08-21 2017-02-23 国立大学法人 東京大学 光導波路素子および光集積回路装置
JP2017072807A (ja) * 2015-10-09 2017-04-13 株式会社フジクラ 半導体光導波路、半導体光変調器、及び半導体光変調システム
JP2018046258A (ja) * 2016-09-16 2018-03-22 国立大学法人 東京大学 光集積回路装置及びその製造方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2786063B2 (ja) 1992-08-11 1998-08-13 日本電気株式会社 半導体光制御デバイス
JPH11212037A (ja) * 1998-01-29 1999-08-06 Mitsubishi Electric Corp 半導体光変調器と光集積回路素子
US6845198B2 (en) * 2003-03-25 2005-01-18 Sioptical, Inc. High-speed silicon-based electro-optic modulator
JP2005010277A (ja) * 2003-06-17 2005-01-13 Japan Aviation Electronics Industry Ltd 電気吸収型光変調器
US20070172185A1 (en) * 2006-01-25 2007-07-26 Hutchinson John M Optical waveguide with mode shape for high efficiency modulation
JP4897954B2 (ja) * 2006-06-28 2012-03-14 古河電気工業株式会社 面発光レーザ素子及びその製造方法
US8929417B2 (en) * 2009-12-21 2015-01-06 The Board Of Regents Of The University Of Oklahoma Semiconductor interband lasers and method of forming
JP2012252139A (ja) 2011-06-02 2012-12-20 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体光変調器の製造方法及び半導体光変調器
KR20130141850A (ko) 2012-06-18 2013-12-27 광주과학기술원 광학 소자
JP5413865B1 (ja) * 2012-12-27 2014-02-12 株式会社フジクラ 光導波路素子及び光変調器
JP2015015396A (ja) * 2013-07-05 2015-01-22 日本電信電話株式会社 光半導体素子
JP6106071B2 (ja) * 2013-12-05 2017-03-29 日本電信電話株式会社 偏波制御素子
US10216016B2 (en) * 2014-07-25 2019-02-26 Cornell University Linear optical phase modulators
JP2016156933A (ja) * 2015-02-24 2016-09-01 日本電信電話株式会社 光集積回路および製造方法
JP6588859B2 (ja) * 2016-05-13 2019-10-09 日本電信電話株式会社 半導体レーザ

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010113084A (ja) 2008-11-05 2010-05-20 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光信号処理装置
US20110206313A1 (en) * 2010-02-19 2011-08-25 Po Dong Reducing optical loss in an optical modulator using depletion region
US20130301975A1 (en) * 2012-04-13 2013-11-14 Skorpios Technologies, Inc. Hybrid optical modulator
JP2017040841A (ja) * 2015-08-21 2017-02-23 国立大学法人 東京大学 光導波路素子および光集積回路装置
JP2017072807A (ja) * 2015-10-09 2017-04-13 株式会社フジクラ 半導体光導波路、半導体光変調器、及び半導体光変調システム
JP2018046258A (ja) * 2016-09-16 2018-03-22 国立大学法人 東京大学 光集積回路装置及びその製造方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PARK, JIN-KWON ET AL.: "Monolithic Integration of InGaAsP MZI Modulator and InGaAs Driver MOSFET using III-V CMOS Photonics", OPTICAL FIBER COMMUNICATIONS CONFERENCE AND EXHIBITION (OFC) 2017, 19 March 2017 (2017-03-19), pages 1 - 3, XP033101440, doi:10.1364/OFC.2017.W3E.4 *
SEKINE, NAOKI ET AL.: "Numerical analysis of carrier-depletion InGaAsP optical modulator with lateral PN junction formed on III-V-on-insulator wafer", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 56, no. 4S, 24 March 2017 (2017-03-24), pages 04 CH 09 - 1 - 04 CH 09-5, XP055631314 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019144448A (ja) 2019-08-29
US20200400977A1 (en) 2020-12-24
EP3757664B1 (en) 2022-12-21
CN111758065B (zh) 2023-10-31
JP6922781B2 (ja) 2021-08-18
EP3757664A4 (en) 2021-11-10
EP3757664A1 (en) 2020-12-30
CN111758065A (zh) 2020-10-09
US11747659B2 (en) 2023-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11150494B2 (en) Waveguide modulator structures
US9568750B2 (en) Hybrid optical modulator
US10996539B2 (en) Electro-optic modulator
JP5515927B2 (ja) 半導体光素子
JP5428987B2 (ja) マッハツェンダー型光変調素子
JPH08220496A (ja) 半導体光変調素子
EP0385685B1 (en) Semiconductor device including cascaded modulation-doped quantum well heterostructures
JP5497678B2 (ja) 半導体光集積素子
US5519721A (en) Multi-quantum well (MQW) structure laser diode/modulator integrated light source
CA3034236C (en) Optical modulator
WO2019163559A1 (ja) 光変調器
US20230139692A1 (en) Semiconductor Optical Device
WO2023238184A1 (ja) 光変調器
US20240006844A1 (en) Semiconductor Optical Device
US8958664B2 (en) Semiconductor optical modulator
US20240134215A1 (en) Silicon optical phase shifter with a series of p-n junctions
Matsuo et al. Novel Photonic Integration for Large-bandwidth and Power-efficient Lasers and Modulators
JP2023035532A (ja) 半導体光変調素子
JP2017167359A (ja) リッジ導波路型光変調器

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19757241

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2019757241

Country of ref document: EP

Effective date: 20200922