CN101133355A - 半导体光调制器 - Google Patents

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Abstract

提供一种具有n－i－n结构半导体光调制器的特点、又能稳定工作，而且对电场的耐压性优良的半导体光调制器。其包括依次层叠n型InP包层(11)、具有电光效应的半导体芯层(13)、p－InAlAs层(15)、以及n型InP包层(16)而形成的波导结构。p－InAlAs层(15)的电子亲和力小于n型InP包层(16)的电子亲和力。在如此构成的波导结构中，还可以分别在n型InP包层(11)和半导体芯层(13)之间设置未掺杂的InP包层(12)，在半导体芯层(13)和p－InAlAs层(15)之间设置未掺杂的InP包层(14)。

Description

半导体光调制器
技术领域
本发明涉及半导体光调制器，更详细地说，涉及用于光通信***和光信息处理***领域的半导体光调制器。
背景技术
由于近年来的高度信息化，人们期望因特网等网络传送的信息大容量化，光通信***和光信息处理***作为能够高速传送大容量信息的通信***而受到关注。
近年来的光通信***和光信息处理***正在进一步推进大容量化以回应上述期望。在这种光通信***和光信息处理***中，为了使高速传送的距离变长，为了不易受到作为波形劣化原因的光纤色散的影响，需要使用波长啁啾(チヤ一ピング)少的光信号。为此，目前，在光信号的产生中，使DC动作的光源和外部调制器组合的形式占主流。
那么，波导型光控制器件是高速光通信***、光处理***的关键要素之一。在波导型光控制器件中，光调制器是用于将声音和图像等电信号转换成光的强弱必不可少的器件。光调制器大致分为使用LiNbO3(LN)等介质的光调制器、和使用InP或GaAs半导体的光调制器。
作为外部调制器(光调制器)的代表，目前正在广泛使用采用LiNbO3(LN)等介质的LN调制器。这是一种采用通过施加与直流、或光频率相比足够低频率的电场而使媒质的折射率变化的电光效应来进行动作的光调制器。
这种使用了电光效应的光调制器，有通过使具有电光效应的介质折射率变化来对光的相位进行调制的相位调制器、和将此相位调制器与马赫-策德尔干涉***组合的光强调制器。马赫-策德尔型光调制器是一种在原理上能够使波长啁啾为零，适于超高速、长距离传送的调制器。
但是，由于现有的LN调制器的元件长度比较长，因而光发送器模块变大了，此外，驱动电压也需要3～5V左右的高电压。而且，由于驱动条件因DC偏差(直流电压偏差)或温度偏差而变化，所以为了稳定动作，必须要另外的控制电路。即，存在因上述驱动条件的变化而必须要驱动条件的控制机构这样的课题。
另一方面，以下2种是采用了半导体的光调制器的代表。一种是利用了如体半导体的弗朗兹-凯尔迪什效应(Franz-Keldysh效应)或多量子阱结构中的量子限制斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect：QCSE)等通过施加电场使吸收端向长波长侧偏移效果的电场吸收型光调制器(EA调制器)。另一种是利用了通过施加电场使折射率变化的电光效应(普克耳斯效应)的电光调制器(EO调制器)。
电场吸收型光调制器(EA调制器)由于小型、耗电少、还不会产生LiNbO3调制器中所见的由直流电压引起的偏差，因而被寄予希望。但是，在电场吸收型光调制器(EA调制器)中，成为问题的是，调制时产生波长啁啾，由于啁啾的原因在光纤传送后会产生波形劣化。即，由于波长啁啾，调制后的光信号频谱比调制前宽。当通过光纤传送该频谱宽的光信号时，将产生由光纤媒质的分散效应引起的波形劣化，而且还对传送特性造成不良影响。比特率越高、传送距离越长，该波形劣化的现象越明显。
另一方面，关于电光调制器(EO调制器)，通过改变折射率来对光的相位进行调制的相位调制器、和通过与相位调制器组合以构成马赫-策德尔干涉计来进行光强度调制的马赫-策德尔调制器正在被实用。由于现在的光通信按照光强度的强、弱来发送信号，所以主要采用进行强度调制的马赫-策德尔调制器。该马赫-策德尔调制器原理上能够使波长啁啾为零，作为超高速、长距离通信用的调制器被寄予厚望。作为半导体马赫-策德尔调制器的例子，在非专利文献1中公开了具有p-i-n结构的集总常数型的调制器。在非专利文献1记载的光调制器中，由于具有p-i-n结构，因而漏泄电流小，从而可以高效地对芯层施加电场。
此外，在非专利文献2中公开了使用肖特基电极的调制器。在非专利文献2记载的调制器中，通过使用行波电极结构作为电极结构来实现宽带化。此外，在专利文献1中还探讨研究了以比它们更低电压化、小型化、高速化为目的的n-i-n结构半导体马赫-策德尔调制器。
专利文献1：国际公开第2004/081638号小册子
非专利文献1：C.Rolland et al.，“10 Gbit/s，1.56μm multiquantunwell InP/InGaAsP Mach-Zehnder optical modulator，”Electron，Lett.，vol.29，no.5，pp.471-472，1993
非专利文献2：R.Spickerman et al.，“GaAs/AlGaAs electro-opticmodulator with bandwidth＞40Ghz，”Electron，Lett.，vol.31，no.11，pp.915-916，1995
发明内容
但是，在非专利文献1记载的光调制器中，由于p包层的电阻高，因而电信号的传输损失大，难以高速工作，而且由于p包层的光吸收也大，所以难以使用于低工作电压化的元件长度变长。此外，在非专利文献2记载的调制器中，存在工作电压高这样的问题。
由于这样的问题，最近提出了一种上述专利文献1公开的、具有n-i-n结构的调制器。在专利文献1记载的调制器中，通过依次层叠n型包层、芯层、n型包层来形成n-i-n结构，在形成n-i-n结构的上侧n型包层中设有电极。
图11是现有的、具有n-i-n结构的光波导的光调制器的相位调制波导的截面图。在基板上具有依次层叠n型包层102、光波导芯层103、半绝缘型包层104、n型包层105的层结构。在n型包层105和n型包层102上分别连接有电极108、109。
通过这种结构，向设置在2个n型包层102、105间的光波导芯层103施加电压以使其工作。在此结构中，与非专利文献1涉及的p-i-n结构相同，能够高效地对芯层施加电场，此外，由于在包层中使用n型，因而能够降低由p-i-n结构中存在问题的p包层引起的电信号及光的传输损失，实现低工作电压化，此外，同时能够获得非常稳定的输出。但是，近年来，随着光通信***的进一步发展，人们渴望光调制器的输出能进一步稳定化。
但是，在具有专利文献1等n-i-n结构的相位调制波导的光调制器中，存在以下所述的问题。
图12是具有n-i-n结构的光波导的光调制器的波导能带图。在n-i-n结构的光波导中，尽管很少但在光波导芯层103中存在光吸收。因此，如图12所示，因光吸收而产生的空穴106-1在作为阻挡层的半绝缘型包层104中成为被积聚的空穴106-2。该空穴被积聚时，在能带图上，针对电子的半绝缘型包层104的阻挡下降，产生漏泄电流从n型包层105流向n型包层102这样的现象(寄生光晶体管效应)。即，在晶体管工作的情况下，在基极开放状态下，基极的空穴浓度上升时，产生与发射极/基极结正向偏压相同的状态。
并且，由于因被积聚的空穴106-2所产生的上述正向偏压的效应，施加在光波导芯层103上的电压仅下降与该正向偏压相当的电压。因此，将产生调制特性因输入到光调制器的光的波长和光强度而变化的问题。例如，由于当波长变化时需要改变光调制器的驱动条件，所以就必须要控制电路。此外，由于当光强度变强时调制特性变坏，所以必须限制光输入电平。为了避免此调制特性的变化和不稳定，在变化不会成为问题的波长和光强度的范围内，产生了必须使用光调制器这样的限制。结果，作为光调制器能够利用的范围受到限制。
如上所述，由空穴积聚在作为阻挡层的半绝缘型包层104上所引起的寄生光晶体管效应造成的问题是，妨碍具有n-i-n结构的相位调制波导的光调制器的稳定工作。本发明所要解决的课题之一是提供一种结构，其可以抑制上述半绝缘型包层中的空穴积聚和寄生光晶体管效应、可以抑制由它们引起的调制特性的变化、并实现调制器的稳定工作。
那么，为了向n-i-n结构的芯层施加电场，在n型包层和芯层之间需要有电子势垒以抑制电子的漏泄电流，而在专利文献1记载的调制器中，为了形成该势垒，将掺Fe的半绝缘层设置在形成上述电极的n型包层和芯层之间。但是，在此结构中，调制强度中存在频率分散，从而成为对当前渴望的输出的稳定性造成妨碍的主要原因。
本发明所要解决的另一课题是提供一种半导体光调制器，其既具有n-i-n结构半导体光调制器的特点又能稳定工作、而且对电场的耐压特性优良。
为了实现这样的目的，本发明的第一方面，其特征在于，包括：依次层叠第一n型半导体包层、半导体芯层、半导体包层、和第二n型半导体包层而形成的波导结构；所述半导体包层的电子亲和力小于所述第二n型半导体包层的电子亲和力。
在上述第一方面中，所述半导体包层和所述第二n型半导体包层的异质结可以是II型。
在上述第一方面中，所述半导体包层对空穴的势能可以小于所述半导体芯层对空穴的势能。
此外，在上述第一方面中，在所述半导体包层和所述第二n型半导体包层之间，可以***对空穴的势能比所述半导体包层小的第三n型半导体包层。
此外，在上述第一方面中，在所述第一n型半导体包层和所述半导体芯层之间，可以***未掺杂包层。
此外，在上述第一方面中，在所述半导体芯层和所述半导体包层之间，可以***未掺杂包层。所述半导体包层对空穴的势能小于插在所述半导体芯层和所述半导体包层之间的未掺杂包层对空穴的势能。
此外，在上述第一方面中，所述半导体包层可以是InAlAs。
此外，在上述第一方面中，所述半导体包层可以被掺杂为p型。
此外，在上述第一方面中，所述波导结构可以是高台面波导结构或脊形波导结构。
此外，在上述第一方面中，还可以包括分支装置和合波装置，该分支装置将入射光分为2路并分别从两个输出端输出，所述两个输出端分别连接到各所述波导结构的输入端；所述合波装置与2个所述波导结构分别连接，对从该2个波导结构输出的光进行合波并输出。
此外，在上述第一方面中，还可以包括第一电极和第二电极，所述第一电极形成于所述第一n型半导体包层未形成所述半导体芯层的区域上；所述第二电极形成在所述第二半导体包层上，所述第一电极及第二电极可以是行波型电极结构。
本发明的第二方面，其特征在于，包括：依次层叠由n型InP组成的第一n型半导体包层、由未掺杂的InP组成的第一未掺杂包层、未掺杂的半导体芯层、和由未掺杂的InP组成的第二未掺杂包层而形成的半导体光波导层；以及依次层叠由p型InAlAs组成的半导体包层、和由n型InP组成的第二n型半导体包层而形成的波导结构。
本发明的第三方面，其特征在于，包括：依次层叠由n型InP组成的第一n型半导体包层、由未掺杂的InP组成的第一未掺杂包层、未掺杂的半导体芯层、和由未掺杂的InP组成的第二未掺杂包层而形成的半导体光波导层；以及依次层叠由p型InAlAs组成的半导体包层、由n型InP组成的第二n型半导体包层、和由n型InGaAsP或n型InGaAlAs组成的第三n型半导体包层而形成的光波导结构。
本发明的第四方面，提供一种半导体光调制器，包括：依次层叠第一n型半导体包层、半导体芯层、半绝缘型的半导体包层和第二n型半导体包层而形成的波导结构，其特征在于，包括：至少1个p型半导体区域、以及形成于所述p型半导体区域上并且电连接到所述p型半导体区域的电极，所述至少1个p型半导体区域为具有p型导电性的区域，并且形成于在所述波导结构的光行进方向上具有一定长度区间的、至少所述第二n型半导体包层的一部分或全部上。
在上述第四方面中，所述p型半导体区域可以形成于在所述波导结构的光行进方向上具有一定长度区间的、所述第二n型半导体包层及与所述第二n型半导体包层相接的所述半导体包层的一部分上。
此外，在上述第四方面中，所述电极可以形成于所述p型半导体区域及所述第二n型半导体包层上，所述p型半导体区域及所述n型半导体包层共同电连接到所述电极。
此外，在上述第四方面中，所述波导结构可以是高台面波导结构或脊形波导结构。
此外，在上述第四方面中，还可以包括分支装置和合波装置，该分支装置将入射光分为2路并分别从两个输出端输出，所述两个输出端分别与各所述光波导结构的输入端连接，所述合波装置与2个所述波导结构分别连接，对从该2个波导结构输出的光进行合波并输出。
此外，在上述第四方面中，还可以包括第二电极，其形成于所述第一n型半导体包层未形成所述半导体芯层的区域上，所述电极形成于所述p型半导体区域及所述第二n型半导体包层上，所述电极及第二电极可以是行波型电极结构。
如此，在本发明的一个实施方式涉及的半导体光调制器中，能够实现低损失、对电场的耐压特性优良、低电压驱动、稳定工作的半导体光调制器。即，在本发明的一个实施方式中，由于将半导体包层的电子亲和力设定得比第二n型半导体包层的电子亲和力小，半导体包层对第二n型半导体包层的电子变成势垒，所以对电场的耐压特性优良，强度调制中的频率分散减少乃至不产生。
此外，根据本发明的一个实施方式，通过将与半导体包层(例如，半绝缘型包层)相接的第二n型半导体包层的一部分或第二n型半导体包层、和半导体包层的一部分作为具有p型导电性的p型半导体区域，因光吸收而产生的空穴通过p型半导体区域从电极引出。由此，能够防止或减轻空穴积聚到作为阻挡层的半导体包层上。因此，能够抑制漏泄电流的产生，抑制施加在半导体芯层上的电压下降，抑制由光吸收引起的调制特性的变化，实现调制器的稳定工作。
在本发明的一个实施方式涉及的半导体电光调制器(EO调制器)中，由于在作为阻挡层的半导体包层(例如半绝缘型包层)上没有积聚空穴，或能够减轻空穴的积聚，因此能够抑制漏泄电流的产生和施加在芯层的电压下降。
为此，能够改善光调制器的调制特性根据光波长和光强度而改变的现有问题，实现调制器的稳定工作。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式涉及的II型异质结的能带图。
图2是本发明的一个实施方式涉及的波导结构的截面图。
图3是本发明的一个实施方式涉及的光波导的能带图。
图4是本发明的一个实施方式涉及的、对波导结构施加反向偏压时的电压-电流特性图。
图5是本发明的一个实施方式涉及的、马赫-策德尔调制器的相位调制区域的长度为3mm时的E/E高频响应特性图。
图6是本发明的一个实施方式涉及的、使马赫-策德尔调制器推挽工作的40Gbit/s的眼形曲线图。
图7是本发明的一个实施方式涉及的波导的能带图。
图8是本发明的一个实施方式涉及的马赫-策德尔型光调制器的概况图。
图9是本发明的一个实施方式涉及的光调制器的波导结构图。
图10是本发明的一个实施方式涉及的马赫-策德尔调制器的结构图。
图11是现有的n-i-n结构的光调制器的波导的截面图。
图12是现有的n-i-n结构的光调制器的波导层能带图。
具体实施方式
下面，参照附图，详细地说明本发明的实施方式。另外，在下面说明的附图中，对于具有相同功能的要素赋予相同的符号，省略其反复说明。
本发明的一个实施方式是一种半导体光调制器，其具有由第一n型半导体包层、形成于第一n型半导体包层上且具有电光效应的半导体光波导层、形成于半导体光波导层上的半导体包层、和形成于半导体包层上的第二n型半导体包层的叠层体构成的n-i-n结构。上述半导体包层是对来自第二n型半导体包层的电子的阻挡层(势垒层)。
在本发明的一个实施方式中，重要的是使上述阻挡层的功能良好。即，重要的是减轻由半导体波导层中的光吸收而产生的空穴对阻挡层的影响。
上述产生的空穴存在积聚在阻挡层处的可能性，当积聚在阻挡层时，会降低对电子的势垒。由此，将出现以下问题，即，调制特性根据入射到半导体波导层的光的强度而变化，产生强度调制中的频率分散，因势垒的下降引起从第一n型半导体层向第二n型半导体层的漏泄电流的产生等。因此，通过降低由于半导体波导层产生的空穴积聚在阻挡层而对阻挡层造成的影响，能够提供一种抑制调制特性的变化、能够稳定工作的半导体光调制器。
为了减轻上述空穴对阻挡层的影响，在第一～第三实施方式中，在作为阻挡层的半导体包层和第二n型半导体包层之间产生由电子亲和力引起的导带不连续，以便即使空穴积聚在阻挡层，也能够对电子起到良好的阻挡作用。此外，在第四和第五实施方式中，为了减轻上述空穴对阻挡层的影响，因光吸收而产生的空穴也可以流入阻挡层，以维持势垒或减少势垒的下降。
(第一个实施方式)
在本实施方式涉及的半导体光调制器中，依次层叠有第一n型半导体包层、具有电光效应的半导体光波导层、半导体包层和第二n型半导体包层。这种叠层体为n-i-n结构，在本实施方式中，半导体包层和第二n型半导体包层成为异质结，并且半导体包层的电子亲和力设计得比第二n型半导体包层的电子亲和力小。通过这种方式，半导体包层对第二n型半导体包层的电子将成为势垒。由此，在不损害n-i-n结构的半导体光调制器的特点(光的传播损失的降低、低工作电压化、小型化、高速化等)的情况下，能够实现更稳定的、对电场的耐压特性优良的光调制器。
然后，对II型异质结进行说明。图1所示的是该II型异质结的能带图。qx(q：元电子)被称为电子亲和力，是用于将电子从导体底部取到真空中所需的能量。此外，Eg被称作带隙，是导体与价带的能量差。那么，所谓II型异质结是指，半导体2的电子亲和力比半导体1的电子亲和力小、且半导体2的电子亲和力与能隙之和(qx+Eg)比半导体1的小的情况。在此，当考虑到将要从半导体1侧流向半导体2侧的导体的电子时，导带不连续(ΔEc＝Ec2-Ec1)变成能障，仅仅具有超过此障碍的能量的电子才能够流向半导体2。换言之，对于从半导体1侧流向半导体2侧的电子来说，该结为高电阻，导带不连续设置得越大，其效果越大，从而呈现出耐压特性优良的特性。
图2是本实施方式涉及的半导体光调制器的波导结构的截面图，图3是图2所示的波导结构的能带图。
在本实施方式涉及的半导体光调制器中，在半绝缘性的(SI)-InP基板10上，依次层叠有n-InP包层(第一n型半导体包层)11、半导体光波导层19、p-InAlAs层(作为势垒层的半导体包层)15和n-InP包层(第二n型半导体包层)l6。在半导体光波导19中层叠有未掺杂的InP包层12、具有电光效应的未掺杂的半导体芯层13、未掺杂的InP包层14，在InP包层14的上部层叠有p-InAlAs层15。
另外，在本说明书中，“n-半导体”及“n型半导体”是指n型掺杂的半导体。当然，对于p型掺杂也类似地进行标记。
对于半导体芯层13，可以使用例如具有多量子阱层和光限制层的结构，光限制层具有的带隙值在其上下侧(半导体芯层13的InP包层12侧以及InP包层14侧)比多量子阱层大、且比InP包层12及InP包层14小。此外，设定多量子阱层的带隙波长，以便在使用的光波长中，电光效应有效地起作用，并且使光吸收不成为问题。
此外，本实施方式涉及的波导结构具有如图2所示的高台面(ハイメサ)波导结构，为了向半导体光波导层19进行电压的施加，在n-InP包层11、及n-InP包层16的上部分别设有电极17、18。
另外，虽然在本实施方式中，使用高台面波导结构作为波导结构，但不限于此，也可以使用脊形波导结构。
然后，从图3所示的、向本实施方式涉及的半导体光调制器施加电压时的能带图可以理解，由于p-InAlAs层15比n-InP包层16电子亲和力小，所以在二者的异质界面产生导带不连续。因此，产生了n-InP包层16对电子的势垒。此外，由于p-InAlAs层15为p型，n-InP包层16为n型，所以，除了由这些异质结引起的势垒外，还产生了pn结的势垒。因此，对于从n-Inp包层16注入的电子，这两个要素作为一个整体起到势垒的作用。
在本实施方式中，如图3所示，p-InAlAs层15和n-InP包层16的异质结设置成电子和空穴被限制在不同空间位置的II型异质结。此外，也可以是，由半导体光波导层的光吸收仅仅产生的空穴易于从未掺杂的InP包层14侧流入n-InP包层16的结构，在本实施方式中，在未掺杂的InP包层14和p-InAlAs层15的结处，p-InAlAs层15对空穴的势能比未掺杂的InP包层14对空穴的势能小。即，在半导体光波导层和作为势垒层的半导体包层的结处，优选地，半导体包层对空穴的势能设置得比半导体光波导层对空穴的势能小。在半导体芯层和半导体包层之间未设置包层(本实施方式中，未掺杂InP包层14)的情况下，半导体光波导层的、与半导体包层相接的层成为半导体芯层。此情况下，在半导体芯层和作为势垒层的半导体包层的结处，也可以将半导体包层对空穴的势能设置得比半导体芯层对空穴的势能小。
那么，在半导体光调制器工作时，尽管少，但由于半导体芯层13中的光吸收还是生成了电子和空穴，虽然此电子容易到达n-InP包层11，但另一方面，空穴也有积聚在p-InAlAs层15附近的可能性。这就降低了p-InAlAs层15的势垒。此情况与pn结的势垒变小相对应，有可能不能充分保持耐压特性。但是，在本实施方式涉及的结构中，即使上述的pn结的势垒变小，导带不连续也依旧能够作为势垒起作用，所以能够提供一种耐压特性优良的半导体光调制器。
即，即使由半导体芯层13产生的空穴积聚在作为阻挡层的p-InAlAs层15上，pn结的势垒变小，但通过使p-InAlAs层15的电子亲和力比n-InP包层16的电子亲和力小，能够使由所产生的导带不连续引起的势垒良好地起作用。因此，可以降低从n-InP包层11流向n-InP包层16侧的漏泄电流。此外，由于由该导带不连续引起的势垒良好地起作用，而不依赖于向半导体芯层13入射的光的强度和波长，所以即使pn结的势垒根据上述入射光的强度和波长而变化，也能够稳定地进行调制工作。
在这样的本实施方式中，即使在作为阻挡层的p-InAlAs层(半导体包层)15上积聚空穴，形成不受该空穴积聚影响的势垒也是很重要的。为此，在本实施方式中，使作为半导体包层的p-InAlAs层15的电子亲和力比作为第二n型半导体包层的n-InP包层16的电子亲和力小。
那么，将p-InAlAs层15设为p型所关心的事情是由价带间跃迁引起的光吸收。但是，p-InAlAs层15和InP包层14间的导带不连续值并不很大(文献中值：0.39eV)，层厚不需要太厚。例如，如果以0.05μm作为p-InAlAs层15的层厚，则能够具有15V左右的耐压特性。此外，由于光吸收的大小与p层的光限制系数成比例，所以无需将p-InAlAs层15设置成所需厚度以上，且与半导体芯层13分开距离，即，使未掺杂的InP包层14厚度适当，从而能够抑制光吸收造成的损失。这样，在本实施方式中，在不损害n-i-n结构的半导体光调制器的特点的情况下，能够实现对电场的耐压特性优良、低损失、稳定工作的半导体光调制器。
另外，在本实施方式中，虽然使用了InP包层12、半导体芯层13、InP包层14的叠层体作为半导体光波导层，但不限于此。即，虽然在半导体芯层13的上下设置有未掺杂的InP包层12及14，但也可以是InP包层12及14哪个没有、或者两者都没有的结构。在本实施方式中，如果能够对光进行导波就可以，作为半导体光波导层，包括仅半导体芯层的形态、在半导体芯层上下的至少一侧设置未掺杂的包层的形态的任意一个。此外，未掺杂的InP包层12及14比半导体芯层13带隙设定得宽。例如，即使由InGaAsP层或InAlGaAs层等形成，当然也没关系。
另外，在本实施方式中，重要的是在半导体光波导层和第二n型半导体包层之间设置导带不连续的势垒层。因此，在本实施方式中，半导体包层及第二n型半导体包层的材料分别不限于p-InAlAs、n-InP，可以对半导体包层及第二n型半导体包层的材料进行选择，以使半导体包层和第二n型半导体包层异质结合，且半导体包层的电子亲和力比第二n型半导体包层的电子亲和力小。此外，对于半导体包层而言，如果能够形成导带不连续的势垒层，则不进行p型掺杂也可以。
此外，当考虑到对本实施方式涉及的波导结构施加的电压为反向偏压时，虽然对半导体光波导层(图2中InP包层14)和作为势垒层的半导体包层没有特别地限制，但优选地，半导体包层的电子亲和力比半导体光波导层(图2中InP包层14)的电子亲和力小。
那么，在高速的光调制器的实现中，行波型电极结构是有用的。因此，在电极17、18中也可以适用行波型电极。在该行波型电极结构中，光调制器中的阻抗匹配、光和电的速度匹配变得很重要。该阻抗匹配和速度匹配可通过控制光调制器的光波导的容量成分来实现。即，适当设计作为未掺杂层的半导体光波导层19(半导体芯层13及其上下的未掺杂InP包层12、14)的总厚度和波导宽度变得很重要。
作为具体的阻抗匹配条件，可以允许从作为外部电路的特定阻抗的50Ω±10Ω左右的误差。通常，由于希望光调制器能够以低电压驱动，所以优选地，只要不使未掺杂层的光限制系数极其小，就尽可能地使未掺杂层的总厚度变薄(通过这样做，容量变大)。但是，由于光调制器的特性阻抗，定性地与容量的平方根成反比例，所以当未掺杂层过薄时，特性阻抗就会变得过小。避免这种情况的一个方法是，将半导体光波导层的宽度变细，但如果过细，则有可能导致光传播损失的增大和成品率的下降。
另一方面，基于速度匹配程度的频带用下式表示。
[数1]
Δf≈1.4C/π|nopt-nμ|L
在此，C为光速，nopt为群折射率，nμ为电折射率(電気の屈折率)，L为电极长度。
光的群折射率nopt为3.4～3.7左右，由所希望的频带和电极长度决定容许的电折射率的范围。例如，当带域为40GHz、电极长度为3mm时，光的群折射率和电折射率之差为±1.1左右。另外，当定性地加大半导体光波导层的容量时，电的速度(電気の速度)变慢，即，电折射率变大。考虑到满足这些上述例举的所有条件时，优选地，光波导宽度为1.2μm～2.5μm左右，未掺杂层(半导体光波导层)的总厚度为0.4μm～2.0μm左右。
(实施例)
在下面所示的实施例中，InP用于第一及第二n型半导体包层中。在作为起到电子的势垒作用的半导体包层中，使用p型的InAlAs层(p-InAlAs层16)，将其层厚设为0.05μm、掺杂密度设为1×1018cm-3。此外，将半导体光波导层19即未掺杂层的总厚度设为0.9μm。此外，将半导体光波导层19的宽度设为1.6μm。
图4～图6示出了使用上述参数制作的马赫-策德尔调制器的特性。图4示出了在电极17和电极18之间，对电极18施加负电压时(反向偏压)的电压-电流特性图。由图4可知，示出了15V以上的足够的耐压特性。
此外，图5示出了相位调制区域的长度为3mm的E/E高频响应特性。由图5可知，作为频带基准的6dB往下的频率为40GHz以上，40Gbit/s的调制有足够的频带。
并且，图6实际上是以1.3Vpp推挽工作的40Gbit/s的眼形曲线图。通过图8可确认清晰的眼图张开度。如此可知，本实施例涉及的马赫-策德尔调制器可以作为高速光调制器使用。
(第二实施方式)
图7是本实施方式涉及的半导体光调制器的波导结构的能带图。
本实施方式涉及的半导体光调制器的基本结构与第一实施方式相同，省略其说明。本实施方式与第一实施方式的不同点是，在作为第二n型半导体包层的n-InP包层16和作为势垒层的p-InAlAs层15之间插有第三n型半导体包层20，与作为第二n型半导体包层的n-InP包层16相比，第三n型半导体包层20对空穴的势能小。该第三n型半导体包层20，例如可通过适当地设定InGaAsP层和InGaAlAs层等中的组成来形成。
由此，半导体芯层13中的、工作时稍微因光吸收产生的空穴不积聚在p-InAlAs层15，而是落入第二n型半导体包层20。由于落入的空穴能够与第三n型半导体包层20内的电子迅速地再结合，所以可以抑制由空穴的积聚引起的势垒的降低。即，利用此结构，能够提供一种对电场的耐压特性更优良、可稳定工作的半导体光调制器。
(第三实施方式)
在本实施方式中，对使用了第一及第二实施方式中说明的波导结构(相位调制波导)的马赫-策德尔型光调制器进行说明。本实施方式涉及的马赫-策德尔型光调制器40具有第一及第二实施方式中说明的波导结构。
在图8中，在作为将输入光分为2路的装置的MMI(Multi-ModeInterference：多模干涉)耦合器42a的2个输出端上分别连接有本发明一个实施方式涉及的相位调制器波导41a及41b。相位调制波导41a及41b的输出端分别连接到作为对2路输入光进行合波的装置的MMI耦合器42b的2个输入端。此外，在形成于基板上的第一n型半导体包层的预定区域设有电极43，在相位调制波导41a及41b上的预定区域设有电极44。在本实施方式中，将相位调制波导41a及41b的长度L(相位调制区域)设为3mm。
在这种结构中，当从MMI耦合器42a一侧的输入端输入光时，利用MMI耦合器42a将该输入光分为2路，分支光分别受相位调制波导41a及41b引导。此时，根据通过电极43、44施加到相位调制波导41a及41b的相位调制区域的电压，对通过相位调制波导41a、41b的分支光的相位进行调制。被调制的光由MMI耦合器42b进行合波，从MMI耦合器42b一侧的输出端输出。
根据本实施方式，在不损害n-i-n结构的半导体光调制器的特点的情况下，能够提供一种对电场耐压特性优良、可稳定工作的马赫-策德尔型光调制器。
(第四实施方式)
本实施方式涉及的用于光调制器中的光调制波导，将与作为半导体包层(阻挡层)的半绝缘型包层相接的第二n型半导体包层的一部分、或第二n型半导体包层和半绝缘型包层(半导体包层)的一部分作为具有p型导电性的p型半导体区域。此p半导体区域在光调制波导的光行进方向上被反复配置多个。输入光在半导体光波导层中被吸收而产生的空穴，通过此p型半导体区域，从与第二n型半导体包层共同的电极中被引出。由此，可以防止或减少在作为阻挡层的半绝缘型包层中积聚空穴。由于能够不引起空穴的积聚或减少空穴的积聚，因而能够抑制漏泄电流的产生、和施加在光波导芯层上的电压的下降。
因此，本发明的目的之一是改善调制特性根据向光调制器输入的光的波长和光强度而变化的问题点，可以实现调制器的稳定工作。
图9是根据本实施方式构成的半导体光调制器的波导结构。在半绝缘InP基板51上具有依次层叠了n-InP包层52(第一n型半导体包层)、半导体芯层53、半绝缘型包层(作为势垒层的半导体包层)54及n-InP包层(第二n型半导体包层)55-1的叠层结构。在光调制波导部中，在光行进方向上，将一定长度区间的、与半绝缘型包层54相接的n-InP包层55-1和半绝缘型包层54的一部分作为具有p型导电性的p型半导体区域55-2a～55-2d。设置与此p型半导体区域55-2a～55-2d及n-InP包层55-1共同电连接的电极56。此p型半导体区域，遍及整个光调制波导，在光行进方向上反复配置。在图9中，虽然以一定间隔反复配置，但不限于一定间隔的反复配置。即，也可以按随机的间隔进行配置。此外，在图9中，虽然只记载了4个p型半导体区域，但并不仅限于4个，遍及整个光调制波导，可以反复配置多个p型半导体区域。
另外，在本实施方式中，虽然使用高台面波导结构作为波导结构，但不限于此，也可以使用脊形波导结构。
例如，可以通过在使从n-InP包层52到n-InP包层55-1的层生长后，通过蚀刻去除相当于p型半导体区域55-2a～55-2d的部分，使p型InP半导体区域再生长来形成此p型半导体区域55-2a～55-2d。此外，也可以通过在n-InP包层55-1的一部分中利用离子注入法导入Be受主来形成。但是，优选地，p型半导体区域55-2a～55-2d不突出到半导体芯层53。作为此p型半导体区域的、光行进方向的长度例如可设为50μm以下。此外，p型半导体区域相互的间隔例如可设为200μm以下。
在n-InP包层55-1和n-InP包层52之上，分别配置有作为金属电极的电极56和电极57a、57b。使电极56相对于电极57a、57b为负的极性，对半导体芯层53施加电压。电极56与n-InP包层55-1和p型半导体区域55-2a～55-2d两者共同电接触。
在本实施方式中，为了减轻因半导体芯层53中的光吸收而产生的空穴对作为阻挡层的半绝缘型包层54的影响，使上述空穴通过p型半导体区域55-2a～55-2d流入电极56。像这样，由于上述空穴流向电极56，所以空穴不会积聚在半绝缘型包层54中，或能够减轻空穴的积聚。因此，由于能够防止或减少向半绝缘型包层54的积聚，从而可以维持半绝缘型包层54的势垒，或者可以减少势垒的下降。
在本实施方式中，电极56，除了作为通过对半导体芯层施加电压来施加电信号的装置起作用外，还作为吸取空穴的装置起作用。此时，为了使电极56具有吸取空穴的功能，在半绝缘型包层54和电极56之间需要有空穴通过的路径，p型半导体区域55-2a～55-2d作为此路径起作用。即，通过电极56和p型半导体区域55-2a～55-2d，处于半绝缘型包层54的空穴向半绝缘型包层54的外部移动，从而能够减轻空穴对作为阻挡层的半导体包层(半绝缘型包层54)的影响。
另外，为了使p型半导体区域作为从半绝缘型包层54通向电极56的空穴的路径(用于从半绝缘型包层54取出空穴的路径)而起作用，优选地使p型半导体区域55-2a～55-2d和电极56相接触。此外，在图9中，虽然p型半导体区域55-2a～55-2d形成于半绝缘型包层54的一部分上，但并不限于此。即，在本实施方式中，重要的是使半绝缘型包层54内的空穴流向电极56，重要的是使p型半导体区域55-2a～55-2d作为上述空穴的路径起作用。因此，也可以不将p型半导体区域形成到半绝缘型包层54的一部分上，而是按照使p型半导体区域与半绝缘型包层54相接的方式来形成。此外，如果p型半导体区55-2a～55-2d作为上述空穴的路径适当地起作用，则p型半导体区域也可以不与半绝缘型包层54相接。
此外，在本实施方式中，使施加电信号用的电极和吸取空穴用的电极通用。即，电极56具有用于施加电信号的功能和用于吸取空穴的功能。如此，通过使电极通用，由于能够简化装置，此外还可以简化制造工艺，所以优选。但是，不限于此，也可以分别设置用于施加电信号的电极和用于吸取空穴的电极。例如，也可以在n-InP包层55-1未形成电极56的侧面设置吸取空穴用的电极。
使用上述结构的光波导作为光调制波导，如以下所述那样，使光调制器工作。相对于图9所示的台面结构的截面(端面)在垂直方向上使光射入，使光传送到光调制波导。在此状态下，将电信号输入到电极56，在n-InP包层52和n-InP包层55-1间施加电信号电压。掺杂在半绝缘型包层54内的Fe原子充当深能级的受主。为此，如图12所说明的那样，可以提高价带的能量，可以充当对电子的势垒。通过该势垒可以抑制来自n-InP包层55-1的电子注入。因此，在从电极57a、57b流出的漏泄电流很少产生的状态下，能够对半导体芯层53施加电信号电压，根据电光效应进行光相位的调制。
接着，对表示本实施方式中特有的效果的p型半导体区域55-2a～55-2d的工作进行说明。与n-InP包层55-1共同地电连接的p型半导体区域55-2a～55-2d具有以下作用。即，在现有的光调制波导结构中，如图12中所述的那样，由于因半导体芯层53的光吸收而积聚的空穴，产生了寄生光晶体管效应。但是，借助于作为本实施方式特征部分的p型半导体区域55-2a～55-2d，空穴从作为阻挡层的半绝缘型包层54向p型半导体区域55-2a～55-2d流入，从而能够抑制作为阻挡层的半绝缘型包层54中的空穴的积聚。因此，上述寄生光晶体管效应受抑制，从而能够抑制光调制器的调制特性的变化。
另外，尽管在本实施方式中配置有多个p型半导体区域，但不限于此，也可以只配置一个p型半导体区域。在本实施方式中，重要的是确立空穴从绝缘型包层流向电极用的路径，所以如果能够确立上述路径，则p型半导体区域的数量就不是必需的。即，在本实施方式中，配置至少一个p型半导体区域就可以。
但是，如图9所示，当配置多个p型半导体区域55-2a～55-2d时，对于n-InP包层55-1中未形成p型半导体区域55-2a～55-2d的区域而言，位于远离某一p型半导体区域的区域处的空穴，由于被从上述某一p型半导体区域相邻的p型半导体区域吸上来，因而可以遍及整个光调制波导部均匀地将空穴吸上来。因此，配置多个p型半导体区域是优选的方式。
(第五实施方式)
图10是本实施方式涉及的半导体马赫-策德尔调制器的示意图。马赫-策德尔调制器具有2条n-i-n结构的光波导。2条光波导的一部分，分别包含相位调制波导62a、62b，在该相位调制波导62a、62b中使用图9所示结构的半导体光调制波导。相位调制波导62a、62b分别在2个部位与光合分波器65a、65b连接。光合分波器65a还连接到输入波导61，另一个光合分波器65b还连接到输出波导63。输入光向输入波导61输入，输出光从输出波导63输出。
通过上述这种结构的马赫-策德尔干涉计可以进行光的强度调制。即，从输入波导61之一输入的输入光被光合分波器65a分向2条相位调制波导62a、62b。在各相位调制波导62a、62b中进行相位调制后，再由光合分波器65b进行合成。通过从共平面形波导输入的电信号，使相位调制波导62a、62b的折射率改变来调制波导中的光信号的相位。在相位调制波导62a、62b被相位调制的各信号光，在光合分波器65b被干涉、合成，作为被强度调制的输出光从输出波导63之一输出。为了高速地进行光调制，在施加作为调制信号的高频电场的电极中，采用共平面形波导64的结构。
在上述的相位调制波导62a、62b中，使用第四实施方式中说明的具有本发明特征的p型半导体区域的n-i-n结构的光调制波导。在本实施方式的半导体相位调制波导62a、62b中，由于在光波导的一部分中包括p型半导体区域，从而空穴不会积聚在作为阻挡层的半绝缘型包层中，或者空穴的积聚被减轻。因此，寄生光晶体管效应不会产生，或者能够抑制产生，从而可以抑制漏泄电流的产生、和施加到光波导芯层的电压的下降。其结果，能够改善调制特性根据输入到光调制器的光的波长和光强度而变化的问题点，从而可以实现调制器的稳定工作。

Claims (20)

1.半导体光调制器，其特征在于，包括：依次层叠第一n型半导体包层、半导体芯层、半导体包层和第二n型半导体包层而形成的波导结构，
所述半导体包层的电子亲和力小于所述第二n型半导体包层的电子亲和力。
2.根据权利要求1所述的半导体光调制器，其特征在于，所述半导体包层和所述第二n型半导体包层的异质结为II型异质结。
3.根据权利要求1所述的半导体光调制器，其特征在于，所述半导体包层对空穴的势能小于所述半导体芯层对空穴的势能。
4.根据权利要求1所述的半导体光调制器，其特征在于，在所述半导体包层和所述第二n型半导体包层之间***有第三n型半导体包层，所述第三n型半导体包层对空穴的势能比所述半导体包层小。
5.根据权利要求1所述的半导体光调制器，其特征在于，在所述第一n型半导体包层和所述半导体芯层之间，***有未掺杂包层。
6.根据权利要求1所述的半导体光调制器，其特征在于，在所述半导体芯层和所述半导体包层之间，***有未掺杂包层。
7.根据权利要求6所述的半导体光调制器，其特征在于，所述半导体包层对空穴的势能小于所述未掺杂包层对空穴的势能。
8.根据权利要求1所述的半导体光调制器，其特征在于，所述半导体包层为InAlAs。
9.根据权利要求1所述的半导体光调制器，其特征在于，所述半导体包层被掺杂为p型。
10.根据权利要求1所述的半导体光调制器，其特征在于，所述波导结构为高台面波导结构或脊形波导结构。
11.根据权利要求1所述的半导体光调制器，其特征在于，还包括：
分支装置，将入射光分为2路并从两个输出端分别输出，所述两个输出端分别连接到各所述波导结构的输入端；以及
合波装置，与2个所述波导结构分别连接，对从该2个波导结构输出的光进行合波并输出。
12.根据权利要求1所述的半导体光调制器，其特征在于，还包括：
第一电极，形成于所述第一n型半导体包层未形成所述半导体芯层的区域之上；以及
第二电极，形成于所述第二半导体包层上，
所述第一电极及第二电极为行波型电极结构。
13.半导体光调制器，其特征在于，包括：
依次层叠由n型InP组成的第一n型半导体包层、由未掺杂的InP组成的第一未掺杂包层、未掺杂的半导体芯层、和由未掺杂的InP组成的第二未掺杂包层而形成的半导体光波导层；以及
依次层叠由p型InAlAs组成的半导体包层、和由n型InP组成的第二n型半导体包层而形成的光波导结构。
14.半导体光调制器，其特征在于，包括：
依次层叠由n型InP组成的第一n型半导体包层、由未掺杂的InP组成的第一未掺杂包层、未掺杂的半导体芯层、和由未掺杂的InP组成的第二未掺杂包层而形成的半导体光波导层；以及
依次层叠由p型InAlAs组成的半导体包层、由n型InP组成的第二n型半导体包层、和由n型InGaAsP或InGaAlAs组成的第三n型半导体包层而形成的光波导结构。
15.半导体光调制器，具有：依次层叠第一n型半导体包层、半导体芯层、半绝缘型的半导体包层、和第二n型半导体包层而形成的光波导结构，其特征在于，包括：
至少1个p型半导体区域，其为具有p型导电性的区域，并且形成于在所述波导结构的光行进方向上具有一定长度区间的、至少所述第二n型半导体包层的一部分或全部上；以及
电极，形成于所述p型半导体区域之上，并电连接到所述p型半导体区域。
16.根据权利要求15所述的半导体光调制器，其特征在于，所述p型半导体区域，形成于在所述波导结构的光行进方向上具有一定长度区间的、所述第二n型半导体包层及与所述第二n型半导体包层相接的所述半导体包层的一部分上。
17.根据权利要求15所述的半导体光调制器，其特征在于，所述电极，形成于所述p型半导体区域及所述第二n型半导体包层上，所述p型半导体区域及所述n型半导体包层共同地电连接到所述电极。
18.根据权利要求15所述的半导体光调制器，其特征在于，所述波导结构为高台面波导结构或脊形波导结构。
19.根据权利要求15所述的半导体光调制器，其特征在于，还包括：
分支装置，将入射光分为2路并从两个输出端分别输出，其中，所述两个输出端分别连接到各所述波导结构的输入端；以及
合波装置，与2个所述波导结构分别连接，对从该2个波导结构输出的光进行合波并输出。
20.根据权利要求15所述的半导体光调制器，其特征在于，还包括第二电极，其形成于所述第一n型半导体包层未形成所述半导体芯层的区域上，
所述电极形成于所述p型半导体区域及所述第二n型半导体包层上，
所述电极及第二电极为行波型电极结构。
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