JP2001305498A - Semiconductor optical modulator - Google Patents
Semiconductor optical modulatorInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は半導体光変調器に関
し、紫外光領域でも使用可能なものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor optical modulator, which can be used in an ultraviolet light region.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光の強度や位相を変調する光変調器は、
光情報処理や光通信に重要である。特に、半導体ベース
の導波型光変調器は、光集積回路を構成する上で、不可
欠な回路要素である。光情報処理では波長が短いほど高
密度な情報処理が可能となるため、青色あるいは紫外光
でも動作可能な光変調器は重要である。光変調器の構造
としては、交差型やマッハツェンダー型などが知られて
いる。2. Description of the Related Art An optical modulator for modulating the intensity and phase of light includes:
It is important for optical information processing and optical communication. In particular, a semiconductor-based waveguide optical modulator is an indispensable circuit element for configuring an optical integrated circuit. In optical information processing, high-density information processing becomes possible as the wavelength becomes shorter. Therefore, an optical modulator that can operate with blue or ultraviolet light is important. As a structure of the optical modulator, a cross type, a Mach-Zehnder type, and the like are known.
【０００３】まず、交差型光変調器について説明する。
図９に交差型光変調器の構造例を示す。この例では、２
本の光導波路９１、９２が角度２θで交差しており、両
光導波路９１、９２の交差領域において、その交差角２
θの２等分線で区分される一方側の領域１３の屈折率を
局所的に減少させると、ポート１４から入射した信号光
は屈折率変化領域１３の界面で一部反射し、ポート１７
の方向に進行する光は減少し、その分はポート１６の方
向へ進む。これにより信号光を変調することができる。
特に、ｎを光導波路の屈折率、Δｎを屈折率の変化量と
するとき、θ＜９０°− sin-1（１−Δｎ／ｎ）を満た
すときには、入射信号光は屈折率変化領域１３の界面で
全反射し、ポート１７には全く進まず、全ての光はポー
ト１６の方向へ進むことになる。このときは、光変調器
は光スイッチとして働く。１５は他の入力ポートであ
る。[0003] First, a cross-type optical modulator will be described.
FIG. 9 shows a structural example of a crossed optical modulator. In this example, 2
The two optical waveguides 91 and 92 intersect at an angle 2θ, and the intersection angle 2
When the refractive index of the region 13 on one side divided by the bisector of θ is locally reduced, the signal light incident from the port 14 is partially reflected at the interface of the refractive index change region 13 and
The light traveling in the direction of (1) decreases, and the light proceeds in the direction of the port (16). Thereby, the signal light can be modulated.
In particular, when n is the refractive index of the optical waveguide and Δn is the change amount of the refractive index, when θ <90 ° −sin −1 (1−Δn / n) is satisfied, the incident signal light is reflected by the refractive index change region 13. The light is totally reflected at the interface and does not go to the port 17 at all, and all the light goes to the port 16. At this time, the optical modulator works as an optical switch. 15 is another input port.
【０００４】次に、マッハツェンダー型光変調器につい
て説明する。図１０にマッハツェンダー光変調器の構造
例を示す。この例では、ポート２７から入射した信号光
は、分岐２９でともに等しい伝搬定数βを有するアーム
３１とアーム３２に２分されて進行する。アーム３１の
斜線を付した部分３３の長さをＬとするとき、この部分
３３の屈折率を変化させて伝搬定数をΔβだけ変化させ
ると、アーム３１側を通ってきた信号光はΔβ・Ｌだけ
位相が変化する。アーム３１とアーム３２をそれぞれ通
ってきた信号光は合流３０で波動的に重ね合わされるた
め、位相変化分だけ出力が小さくなり、光変調器として
動作する。特に、位相差Δβ・Ｌがπの奇数倍になった
ときには、ポート２８からの出力は０となり、この場合
には光スイッチとなる。図１０中、１０１はポート２８
から分岐２９までの光導波路、１０２はアーム３１を構
成する光導波路、１０３はアーム３２を構成する光導波
路、１０４は合流３０からポート２８までの光導波路を
示す。Next, a Mach-Zehnder type optical modulator will be described. FIG. 10 shows a structural example of a Mach-Zehnder optical modulator. In this example, the signal light incident from the port 27 travels in the branch 29 into two arms 31 and 32 having the same propagation constant β. Assuming that the length of the hatched portion 33 of the arm 31 is L, if the refractive index of the portion 33 is changed to change the propagation constant by Δβ, the signal light passing through the arm 31 side will be Δβ · L Only the phase changes. Since the signal lights that have passed through the arms 31 and 32 are wave-likely superposed at the junction 30, the output is reduced by the amount of the phase change and operates as an optical modulator. In particular, when the phase difference Δβ · L becomes an odd multiple of π, the output from the port 28 becomes 0, and in this case, it becomes an optical switch. In FIG. 10, 101 is port 28
, An optical waveguide forming the arm 31; 103, an optical waveguide forming the arm 32; 104, an optical waveguide from the junction 30 to the port 28;
【０００５】半導体光集積回路用の光変調器では、通
常、上記のように局所的な屈折率変化を生じさせるため
に、ＧａＡｓあるいはＩｎＰなどのｐｎ接合あるいはｐ
ｉｎ構造に、逆バイアスを印加してバンドギャップ近傍
の屈折率変化を利用している。しかるに、ＧａＡｓ及び
ＩｎＰのバンドギャップ波長は各々８７０ｎｍ及び９２
０ｎｍであるため、これらより短い光に対しては損失が
大きく、光導波路としては使用できなかった。また、半
導体ベースの集積回路には使用できないが、個別の光変
調器としてしばしば使用されるＬｉＮｂＯ3 でさえも、
使用可能波長域は０．４μｍから４．５μｍであるの
で、紫外光では使用できなかった。[0005] In an optical modulator for a semiconductor optical integrated circuit, a pn junction such as GaAs or InP or a p-n junction is usually used in order to cause a local refractive index change as described above.
A reverse bias is applied to the in structure to utilize the change in the refractive index near the band gap. However, the band gap wavelengths of GaAs and InP are 870 nm and 92 nm, respectively.
Since it is 0 nm, the loss is large for light shorter than these, and it cannot be used as an optical waveguide. Also, LiNbO 3, which cannot be used for semiconductor-based integrated circuits, but is often used as a discrete light modulator,
Since the usable wavelength range is from 0.4 μm to 4.5 μm, it cannot be used with ultraviolet light.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題を
解決するために、短波長領域でも透明で紫外光領域にお
いても損失なく光を導波可能で、かつ、半導体としてｐ
ｎ接合が形成可能な、ワイドギャップ半導体であるＡｌ
Ｎ、ＧａＮ及びＡｌＧａＮを用いることにより、紫外光
領域でも使用波可能な半導体光変調器を提供するもので
ある。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is intended to be capable of guiding light without loss even in a short wavelength region and a transparent ultraviolet region, and to have p as a semiconductor.
Al which is a wide gap semiconductor capable of forming an n-junction
By using N, GaN, and AlGaN, a semiconductor optical modulator capable of using waves even in an ultraviolet light region is provided.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明の半
導体光変調器は、第１クラッド層、光導波層及び第２ク
ラッド層が積層した構成を有する半導体光変調器におい
て、前記光導波層は、不純物をドープしていないＡｌx
Ｇａ(1-x) Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１）を有し、第１クラ
ッド層は、ｐ型にドープしたＮＢＰなる屈折率を有する
ＡｌBPＧａ(1-B P)Ｎ層で厚さＤＢＰなる障壁層とｐ型に
ドープしたＮＷＰなる屈折率を有するＡｌWPＧａ(1-WP)
Ｎ層で厚さＤＷＰなる井戸層とが交互に積層され、（Ｎ
ＢＰ×ＤＢＰ＋ＮＷＰ×ＤＷＰ）／（ＤＢＰ＋ＤＷＰ）
の値が前記光導波層の屈折率より小さい構成を有し、第
２クラッド層は、ｎ型にドープしたＮＢＮなる屈折率を
有するＡｌBNＧａ(1-BN)Ｎ層で厚さＤＢＮなる障壁層と
ｎ型にドープしたＮＷＮなる屈折率を有するＡｌWNＧａ
(1-WN)Ｎ層で厚さＤＷＮなる井戸層とが交互に積層さ
れ、（ＮＢＮ×ＤＢＮ＋ＮＷＮ×ＤＷＮ）／（ＤＢＮ＋
ＤＷＮ）の値が前記光導波層の屈折率より小さい構成を
有することを特徴とする。According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor optical modulator having a structure in which a first clad layer, an optical waveguide layer, and a second clad layer are laminated. The layer is Al x undoped
Ga (1-x) N (where 0 ≦ x ≦ 1), and the first cladding layer is an Al BP Ga (1- BP ) N layer having a refractive index of NBP doped with p-type. Al WP Ga having a DBP comprising barrier layer and the NWP made refractive index and doped p-type (1-WP)
N layers are alternately stacked with well layers having a thickness of DWP, and (N
BP × DBP + NWP × DWP) / (DBP + DWP)
Is smaller than the refractive index of the optical waveguide layer, and the second cladding layer is an Al BN Ga (1-BN) N layer having a refractive index of n-type doped NBN and a barrier having a thickness of DBN. Al WN Ga having NWN made refractive index and doped layer and n-type
(1-WN) N layers and well layers having a thickness of DWN are alternately stacked, and (NBN × DBN + NWN × DWN) / (DBN +
DWN) is smaller than the refractive index of the optical waveguide layer.
【０００８】請求項２に係る発明の半導体光変調器は、
第１クラッド層、光導波層及び第２クラッド層が積層し
た構成を有する半導体光変調器において、前記光導波層
は、不純物をドープしていないＮＣＢなる屈折率を有す
るＡｌCBＧａ(1-CB)Ｎで厚さＤＣＢなる障壁層とＮＣＷ
なる屈折率を有するＡｌCWＧａ(1-CW)Ｎで厚さＤＣＷな
る井戸層とを交互に積層した超格子もしくは量子井戸を
有し、第１クラッド層は、ｐ型にドープした、（ＮＣＢ
×ＤＣＢ＋ＮＣＷ×ＤＣＷ）／（ＤＣＢ＋ＤＣＷ）より
小さいＮＮＰなる屈折率を有するＡｌNPＧａ(1-NP)Ｎ層
を有し、第２クラッド層は、ｎ型にドープした、（ＮＣ
Ｂ×ＤＣＢ＋ＮＣＷ×ＤＣＷ）／（ＤＣＢ＋ＤＣＷ）よ
り小さいＮＮＮなる屈折率を有するＡｌNNＧａ(1-NN)Ｎ
層を有することを特徴とする。[0008] A semiconductor optical modulator according to a second aspect of the present invention comprises:
In a semiconductor optical modulator having a configuration in which a first clad layer, an optical waveguide layer and a second clad layer are stacked, the optical waveguide layer is made of Al CB Ga (1-CB) having a refractive index of NCB which is not doped with impurities. ) NW DCB barrier layer and NCW
A superlattice or quantum well in which Al CW Ga (1-CW) N having a different refractive index and a well layer having a thickness of DCW are alternately laminated, and the first cladding layer is p-type doped (NCB
× DCB + NCW × DCW) / (DCB + DCW), having an Al NP Ga (1-NP) N layer having a refractive index of NNP, wherein the second cladding layer is n-type doped (NC
Al NN Ga (1-NN) N having a refractive index of NNN smaller than B × DCB + NCW × DCW / (DCB + DCW)
It is characterized by having a layer.
【０００９】請求項３に係る発明は、上記の各半導体光
変調器において、各層間の格子不整合により生じるピエ
ゾ電界が逆バイアスと同じ方向となることを特徴とす
る。According to a third aspect of the present invention, in each of the above-described semiconductor optical modulators, a piezo electric field generated by lattice mismatch between layers is in the same direction as a reverse bias.
【００１０】[0010]
【発明の実施の形態】［第１実施形態例］図１、図２及
び図３を参照して、本発明の第１実施形態例を説明す
る。図１は本発明の第１実施形態例に係る半導体光変調
器を示す平面図、図２は図１中のII−II線断面図、図３
は図１中のIII-III 線断面図である。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [First Embodiment] A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2 and 3. FIG. FIG. 1 is a plan view showing a semiconductor optical modulator according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG.
FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG.
【００１１】本例では、光導波路としてリッジ構造を採
用し、光変調器構造としては交差型となっている。即
ち、２本の光導波路１１、１２を角度２θで交差させ、
両光導波路１１、１２の交差領域の一方側に、屈折率変
調領域１３を形成している。１４〜１７はポートを示
す。In this embodiment, a ridge structure is adopted as an optical waveguide, and a cross type is used as an optical modulator structure. That is, the two optical waveguides 11 and 12 intersect at an angle 2θ,
A refractive index modulation region 13 is formed on one side of the intersection region between the two optical waveguides 11 and 12. 14 to 17 indicate ports.
【００１２】本例では、ｎ型にドープしたＡｌBNＧａ
(1-BN)Ｎ／ＡｌWNＧａ(1-WN)Ｎ超格子層１８を、ｎ型Ｇ
ａＮ基板１９上に形成する。この超格子層１８はｎ型に
ドープしたＡｌBNＧａ(1-BN)Ｎ層とｎ型にドープしたＡ
ｌWNＧａ(1-WN)Ｎ層とが交互に多数積層されたものであ
り、光導波路１１、１２におけるクラッド層として働
く。In this embodiment, n-type doped Al BN Ga
The (1-BN) N / Al WN Ga (1-WN) N superlattice layer 18 is
It is formed on an aN substrate 19. The superlattice layer 18 is composed of an n-type doped Al BN Ga (1-BN) N layer and an n-type doped A
1 WN Ga (1-WN) N layers are alternately stacked in large numbers, and function as cladding layers in the optical waveguides 11 and 12.
【００１３】今、ｎ型にドープしたＡｌBNＧａ(1-BN)Ｎ
層は障壁層であり、その屈折率をＮＢＮ、障壁層厚さを
ＤＢＮと表す。又、ｎ型にドープしたＡｌWNＧａ(1-WN)
Ｎ層は井戸層であり、その屈折率をＮＷＮ、井戸層厚さ
をＤＷＮと表す。Now, n-type doped Al BN Ga (1-BN) N
The layer is a barrier layer, the refractive index of which is represented by NBN, and the thickness of the barrier layer is represented by DBN. Also, n-type doped Al WN Ga (1-WN)
The N layer is a well layer, the refractive index of which is represented by NWN, and the thickness of the well layer is represented by DWN.
【００１４】ここで、超格子層１８の各層の組成は例え
ばＢＮ＝０．５、ＷＮ＝０．２５であり、障壁層厚さＤ
ＢＮが４ｎｍ、井戸層厚さＤＷＮが４ｎｍであるとす
る。また、超格子層１８の全体厚さは、コア層（光導波
層）２０に閉じ込められた光の裾部分がｎ型ＧａＮ基板
１９に達しないように、光の波長程度よりは厚くなるよ
うに設計されており、例えば３００ｎｍである。Here, the composition of each layer of the superlattice layer 18 is, for example, BN = 0.5, WN = 0.25, and the barrier layer thickness D
It is assumed that BN is 4 nm and well layer thickness DWN is 4 nm. The overall thickness of the superlattice layer 18 is set to be larger than the wavelength of light so that the skirt portion of the light confined in the core layer (optical waveguide layer) 20 does not reach the n-type GaN substrate 19. It is designed, for example, 300 nm.
【００１５】ＡｌＮの屈折率を２．０とし、ＧａＮの屈
折率を２．８とすると、Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎの屈折率Ｎ
ＢＮは２．４（＝２．０×０．５＋２．８×０．５）で
あり、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎの屈折率ＮＷＮは２．６（＝
２．０×０．２５＋２．８×０．７５）となる。Assuming that the refractive index of AlN is 2.0 and the refractive index of GaN is 2.8, the refractive index N of Al 0.5 Ga 0.5 N
BN is 2.4 (= 2.0 × 0.5 + 2.8 × 0.5), and the refractive index NWN of Al 0.25 Ga 0.75 N is 2.6 (=
2.0 × 0.25 + 2.8 × 0.75).
【００１６】従って、超格子層１８全体の平均屈折率
は、（ＮＢＮ×ＤＢＮ＋ＮＷＮ×ＤＷＮ）／（ＤＢＮ＋
ＤＷＮ）＝（２．４×４＋２．６×４）（４＋４）＝
２．５となる。Therefore, the average refractive index of the entire superlattice layer 18 is (NBN × DBN + NWN × DWN) / (DBN +
DWN) = (2.4 × 4 + 2.6 × 4) (4 + 4) =
2.5.
【００１７】この超格子層１８の上に、不純物をドーピ
ングしないＡｌx Ｇａ(1-x) Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１）
層２０を成長する。この層２０は光導波路１１、１２に
おける光導波層（コア層）であり、Ａｌ組成は例えばｘ
＝０．２である。即ち、厚さは、例えば５０ｎｍであ
る。On this superlattice layer 18, Al x Ga.sub. (1-x) N (where 0.ltoreq.x.ltoreq.1 ) not doped with impurities.
Grow layer 20. This layer 20 is an optical waveguide layer (core layer) in the optical waveguides 11 and 12, and the Al composition is, for example, x
= 0.2. That is, the thickness is, for example, 50 nm.
【００１８】このコア層（Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層）２０
の屈折率はＡｌ組成が０．２であるから、２．６４（＝
２．０×０．２＋２．８×０．８）となる。This core layer (Al 0.2 Ga 0.8 N layer) 20
Has an Al composition of 0.2, and has a refractive index of 2.64 (=
2.0 × 0.2 + 2.8 × 0.8).
【００１９】更に、このコア層２０の上に、クラッド層
２１として、ｐ型にドープしたＡｌ BPＧａ(1-BP)Ｎ／Ａ
ｌWPＧａ(1-WP)Ｎ超格子層を成長する。この超格子層２
１はｐ型にドープしたＡｌBPＧａ(1-BP)Ｎ層とｐ型にド
ープしたＡｌWPＧａ(1-WP)Ｎ層とが交互に多数積層され
たものであり、光導波路１１、１２におけるクラッド層
として働く。Further, on the core layer 20, a cladding layer
21 is p-type doped Al BPGa(1-BP)N / A
lWPGa(1-WP)A N superlattice layer is grown. This superlattice layer 2
1 is p-doped AlBPGa(1-BP)N-layer and p-type
AlWPGa(1-WP)N layers are alternately stacked in large numbers
Cladding layers in the optical waveguides 11 and 12
Work as
【００２０】今、ｐ型にドープしたＡｌBPＧａ(1-BP)Ｎ
層は障壁層であり、その屈折率をＮＢＰ、障壁層厚さを
ＤＢＰと表す。又、ｐ型にドープしたＡｌWPＧａ(1-WP)
Ｎ層は井戸層であり、その屈折率をＮＷＰ、井戸層厚さ
をＤＷＰと表す。Now, p-type doped Al BP Ga (1-BP) N
The layer is a barrier layer, the refractive index of which is represented by NBP, and the thickness of the barrier layer is represented by DBP. Also, p-type doped Al WP Ga (1-WP)
The N layer is a well layer, the refractive index of which is represented by NWP, and the thickness of the well layer is represented by DWP.
【００２１】ここで、超格子層２１の各層の組成は例え
ばＢＰ＝０．５、ＷＰ＝０．２５であり、障壁層厚さＤ
ＢＰが４ｎｍ、井戸層厚さＤＷＰが４ｎｍであるとす
る。また、超格子層２１の全体厚さは、コア層（光導波
層）２０に閉じ込められた光の裾部分が外部に達しない
ように、光の波長程度よりは厚くなるように設計されて
おり、例えば３００ｎｍである。Here, the composition of each layer of the superlattice layer 21 is, for example, BP = 0.5, WP = 0.25, and the barrier layer thickness D
Assume that the BP is 4 nm and the well layer thickness DWP is 4 nm. The overall thickness of the superlattice layer 21 is designed to be larger than the wavelength of light so that the skirt portion of the light confined in the core layer (optical waveguide layer) 20 does not reach the outside. , For example, 300 nm.
【００２２】従って、前述のように、ＡｌＮの屈折率を
２．０とし、ＧａＮの屈折率を２．８とすると、Ａｌ
0.5 Ｇａ0.5 Ｎの屈折率ＮＢＰは２．４（＝２．０×
０．５＋２．８×０．５）であり、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ
の屈折率ＮＷＰは２．６（＝２．０×０．２５＋２．８
×０．７５）となる。Therefore, as described above, if the refractive index of AlN is 2.0 and the refractive index of GaN is 2.8,
The refractive index NBP of 0.5 Ga 0.5 N is 2.4 (= 2.0 ×
0.5 + 2.8 × 0.5) and Al 0.25 Ga 0.75 N
Has a refractive index NWP of 2.6 (= 2.0 × 0.25 + 2.8).
× 0.75).
【００２３】従って、超格子層２１全体の平均屈折率
は、（ＮＢＰ×ＤＢＰ＋ＮＷＰ×ＤＷＰ）／（ＤＢＰ＋
ＤＷＰ）＝（２．４×４＋２．６×４）（４＋４）＝
２．５となる。Therefore, the average refractive index of the entire superlattice layer 21 is (NBP × DBP + NWP × DWP) / (DBP +
DWP) = (2.4 × 4 + 2.6 × 4) (4 + 4) =
2.5.
【００２４】上記において、コア層２０となっているＡ
ｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層の屈折率は２．６４であるから、ク
ラッド層１８となっているｎ型の超格子層の平均屈折率
２．５よりも、また、クラッド層２１となっているｐ型
の超格子層の平均屈折率２．５よりも大きく、十分に光
の閉じ込めが可能であり、全体として光導波路構造とな
っている。In the above, the core layer 20 A
Since the refractive index of the l 0.2 Ga 0.8 N layer is 2.64, it is higher than the average refractive index of 2.5 of the n-type superlattice layer serving as the cladding layer 18, and is higher than the average refractive index of the cladding layer 21. It is larger than the average refractive index of the superlattice layer of 2.5 and can sufficiently confine light, and has an optical waveguide structure as a whole.
【００２５】かくして得られる光導波路１１、１２の幅
は、例えば１μｍ程度にされる。The width of the optical waveguides 11 and 12 thus obtained is, for example, about 1 μm.
【００２６】光導波路１１、１２の交差領域は、図３に
示すような構造になっており、ｎ型ＧａＮ基板１９上
に、ｎ型にドープしたＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎ／Ａｌ0.25Ｇ
ａ0.75Ｎ超格子層１８、ドーピングしないＡｌ0.2 Ｇａ
0.8 Ｎコア層２０、ｐ型にドープしたＡｌ0.5 Ｇａ0.5
Ｎ／Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ超格子層２１が順に成長してい
る。The crossing region of the optical waveguides 11 and 12 has a structure as shown in FIG. 3, and an n-type doped Al 0.5 Ga 0.5 N / Al 0.25 G is formed on an n-type GaN substrate 19.
a 0.75 N superlattice layer 18, undoped Al 0.2 Ga
0.8 N core layer 20, p-type doped Al 0.5 Ga 0.5
An N / Al 0.25 Ga 0.75 N superlattice layer 21 is sequentially grown.
【００２７】このような交差部分の一部１３にｐ電極２
３を形成し、ｎ型ＧａＮ基板１９の裏面に形成したｎ電
極２２とにより、この部分１３、即ち屈折率変調領域１
３にだけ電界を印加できるようにしてある。ＳｉＯ2 層
２４はｐ電極２３を安定に形成するために、超格子層１
８、コア層２０及び超格子層２１に沿って成長させてあ
る。２５は電界印加用電源、２６は印加制御用スイッチ
である。A part 13 of such an intersection has a p-electrode 2
3 and the n-electrode 22 formed on the back surface of the n-type GaN substrate 19, this portion 13, that is, the refractive index modulation region 1
3 so that an electric field can be applied to only the third. The SiO 2 layer 24 is used to form the superlattice layer 1 in order to stably form the p-electrode 23.
8, grown along the core layer 20 and the superlattice layer 21. Reference numeral 25 denotes an electric field application power supply, and reference numeral 26 denotes an application control switch.
【００２８】そして、屈折率変調領域１３に基板１９に
対して負の電界を加えると、ｐｉｎ構造（ｐ型超格子層
２１、ドーピングしないコア層２０、ｎ型超格子層１
８）に対して逆バイアスが加わり、ポッケルス効果（１
次の電気光学効果）により屈折率が減少し、信号光が変
調される。When a negative electric field is applied to the refractive index modulation region 13 with respect to the substrate 19, the pin structure (the p-type superlattice layer 21, the undoped core layer 20, the n-type superlattice layer 1) is formed.
A reverse bias is applied to 8), and the Pockels effect (1
The refractive index decreases due to the following electro-optic effect), and the signal light is modulated.
【００２９】ポッケルス効果で生じる屈折率変化ΔＮ
は、光導波路１１、１２の実効屈折率をＮ、交差角を２
θ、電圧をＶ、電極ギャップをｄ、印加電界低減係数を
Γ、ポッケルス定数をｒとしたとき、式（１）で表され
る。 ΔＮ＝ΓｒＮ3 Ｖ／２ｄ …式（１）Refractive index change ΔN caused by Pockels effect
Represents the effective refractive index of the optical waveguides 11 and 12 as N and the intersection angle as 2
When θ, voltage is V, electrode gap is d, applied electric field reduction coefficient is Γ, and Pockels constant is r, it is expressed by equation (1). ΔN = ΓrN 3 V / 2d Equation (1)
【００３０】更に、式（２）を満たす電圧Ｖを印加する
ことにより、全反射が起きる。 Ｖ≧ｄθ2 ／ΓｒＮ2 …式（２）Further, by applying a voltage V satisfying the expression (2), total reflection occurs. V ≧ dθ 2 / ΓrN 2 Equation (2)
【００３１】本例では、光導波路１１、１２はリッジ型
となっているが、コア層２０の材料よりも屈折率の低い
材料を用いて埋め込むことにより、埋め込み構造の光導
波路、従って、埋め込み構造の半導体光変調器とするこ
とができる。In this embodiment, the optical waveguides 11 and 12 are of a ridge type. However, by embedding the optical waveguides 11 and 12 using a material having a lower refractive index than the material of the core layer 20, the optical waveguide having an embedded structure, that is, an embedded structure. Semiconductor optical modulator.
【００３２】また、本例では、基板としてｎ型ＧａＮ基
板１９を用いているが、ＧａＮ系材料と比較的良好な格
子整合が可能なｎ型ＳｉＣ基板や、サファイヤ基板を用
いても良い。但し、サファイヤ基板を用いる場合には、
サファイヤ基板からの電気的接触を直接取ることができ
ないので、基板上面のｎ型超格子層１８の部分から電気
的接触（ｎ電極２２）を取る必要がある。In this embodiment, the n-type GaN substrate 19 is used as the substrate. However, an n-type SiC substrate or a sapphire substrate capable of relatively good lattice matching with a GaN-based material may be used. However, when using a sapphire substrate,
Since electrical contact cannot be made directly from the sapphire substrate, it is necessary to make electrical contact (n-electrode 22) from the portion of the n-type superlattice layer 18 on the upper surface of the substrate.
【００３３】コア層についてはバルク層に代えて超格子
層を用いることができ、また、クラッド層については超
格子層に代えてバルク層を用いることができるが、これ
らについては、図１１、図１２を参照して後で説明す
る。As for the core layer, a superlattice layer can be used instead of the bulk layer, and for the clad layer, a bulk layer can be used instead of the superlattice layer. This will be described later with reference to FIG.
【００３４】［第２実施形態例］図４、図５及び図６を
参照して、本発明の第２実施形態例を説明する。図４は
本発明の第２実施形態例に係る半導体光変調器を示す平
面図、図５は図４中のＶ−Ｖ線断面図、図６は図４中の
ＶI-ＶI 線断面図である。[Second Embodiment] A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4, 5 and 6. FIG. 4 is a plan view showing a semiconductor optical modulator according to a second embodiment of the present invention, FIG. 5 is a sectional view taken along line VV in FIG. 4, and FIG. 6 is a sectional view taken along line VI-VI in FIG. is there.
【００３５】本例では、光導波路としてリッジ構造を採
用し、光変調器構造としてはマッハツェンダー型となっ
ている。即ち、ポート２７からの１つの光導波路３４が
分岐２９で２つのアーム３１、３２をなす光導波路３
５、３６に分岐し、これらが合流３０から１つの光導波
路３７になってポート２８に至る。そして、一方のアー
ム３１をなす光導波路３５上に、屈折率変調領域３３を
形成している。In this embodiment, a ridge structure is adopted as an optical waveguide, and a Mach-Zehnder type optical modulator structure is used. That is, one optical waveguide 34 from the port 27 is divided into two arms 31 and 32 at the branch 29 to form the optical waveguide 3.
5 and 36, which form a single optical waveguide 37 from the junction 30 and reach the port 28. Then, a refractive index modulation region 33 is formed on the optical waveguide 35 forming one arm 31.
【００３６】本例では、ｎ型にドープしたＡｌNNＧａ
(1-NN)Ｎ層４０を、ｎ型ＧａＮ基板３８上に形成する。
この層４０は各光導波路３４〜３７におけるｎ型クラッ
ド層として働く。このｎ型クラッド層４０のＡｌ組成は
例えばＮＮ＝０．５である。また、このｎ型クラッド層
４０の厚さは、光導波層（コア層）４１に閉じ込められ
た光の裾部分がｎ型ＧａＮ基板３８に達しないように、
光の波長程度よりは厚くなるように設計されており、例
えば５００ｎｍである。In this example, n-type doped Al NN Ga
(1-NN) An N layer 40 is formed on an n-type GaN substrate 38.
This layer 40 functions as an n-type cladding layer in each of the optical waveguides 34 to 37. The Al composition of the n-type cladding layer 40 is, for example, NN = 0.5. The thickness of the n-type cladding layer 40 is set so that the bottom of the light confined in the optical waveguide layer (core layer) 41 does not reach the n-type GaN substrate 38.
It is designed to be thicker than the light wavelength, for example, 500 nm.
【００３７】ＡｌＮの屈折率を２．０とし、ＧａＮの屈
折率を２．８とすると、ＮＮ＝０．５であるＡｌ0.5 Ｇ
ａ0.5 Ｎ層（ｎ型クラッド層）４０の屈折率ＮＮＮは、
２．４（＝２．０×０．５＋２．８×０．５）となる。Assuming that the refractive index of AlN is 2.0 and the refractive index of GaN is 2.8, Al 0.5 G where NN = 0.5
The refractive index NNN of the a 0.5 N layer (n-type cladding layer) 40 is
2.4 (= 2.0 × 0.5 + 2.8 × 0.5).
【００３８】このｎ型クラッド層４０の上に、不純物を
ドーピングしないＡｌCBＧａ(1-CB)Ｎ／ＡｌCWＧａ
(1-CW)Ｎ超格子層（もしくは量子井戸層）４１を成長す
る。この層４１はドーピングしないＡｌCBＧａ(1-CB)Ｎ
層とドーピングしないＡｌCWＧａ (1-CW)Ｎ層とが交互に
多数積層されたものであり、光導波路３４〜３７におけ
る光導波層（コア層）として動作する。On this n-type cladding layer 40, impurities are
Undoped AlCBGa(1-CB)N / AlCWGa
(1-CW)Grow N superlattice layer (or quantum well layer) 41
You. This layer 41 is made of Al which is not doped.CBGa(1-CB)N
Layer and undoped AlCWGa (1-CW)N layers alternately
A large number of layers are stacked on the optical waveguides 34-37.
It operates as an optical waveguide layer (core layer).
【００３９】今、ドーピングしないＡｌCBＧａ(1-CB)Ｎ
層は障壁層であり、その屈折率をＮＣＢ、障壁層厚さを
ＤＣＢと表す。又、ドーピングしないＡｌCWＧａ(1-CW)
Ｎ層は井戸層であり、その屈折率をＮＣＷ、井戸層厚さ
をＤＣＷと表す。Now, undoped Al CB Ga (1-CB) N
The layer is a barrier layer, and its refractive index is represented by NCB and the thickness of the barrier layer is represented by DCB. Undoped Al CW Ga (1-CW)
The N layer is a well layer, the refractive index of which is represented by NCW, and the thickness of the well layer is represented by DCW.
【００４０】ここで、コア層４１の各層の組成は例えば
ＣＢ＝０．２、ＣＷ＝０であり、障壁層厚さＤＣＢが４
ｎｍ、井戸層厚さＤＣＷが４ｎｍであるとする。また、
コア層４１の全体厚さは、例えば５０ｎｍである。Here, the composition of each layer of the core layer 41 is, for example, CB = 0.2 and CW = 0, and the barrier layer thickness DCB is 4
nm, and the well layer thickness DCW is 4 nm. Also,
The overall thickness of the core layer 41 is, for example, 50 nm.
【００４１】従って、ＡｌＮの屈折率を２．０とし、Ｇ
ａＮの屈折率を２．８とすると、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎの
屈折率ＮＣＢは２．６４（＝２．０×０．２＋２．８×
０．８）であり、ＧａＮの屈折率ＮＷＮは２．８（＝
２．０×０＋２．８×１）となる。Therefore, the refractive index of AlN is set to 2.0, and G
Assuming that the refractive index of aN is 2.8, the refractive index NCB of Al 0.2 Ga 0.8 N is 2.64 (= 2.0 × 0.2 + 2.8 ×
0.8), and the refractive index NWN of GaN is 2.8 (=
2.0 × 0 + 2.8 × 1).
【００４２】従って、コア層４１全体の平均屈折率は、
（ＮＣＢ×ＤＣＢ＋ＮＣＷ×ＤＣＷ）／（ＤＣＢ＋ＤＣ
Ｗ）＝（２．６４×４＋２．８×４）（４＋４）＝２．
７２となる。Therefore, the average refractive index of the entire core layer 41 is:
(NCB × DCB + NCW × DCW) / (DCB + DC
W) = (2.64 × 4 + 2.8 × 4) (4 + 4) = 2.
72.
【００４３】更に、このコア層４１の上に、ｐ型にドー
プしたＡｌNPＧａ(1-NP)Ｎ層４２を成長する。この層４
０は各光導波路３４〜３７におけるｐ型クラッド層とし
て働く。このｐ型クラッド層４２のＡｌ組成は例えばＮ
Ｐ＝０．５である。また、このｐ型クラッド層４２の厚
さは、光導波層（コア層）４１に閉じ込められた光の裾
部分が外部に達しないように、光の波長程度よりは厚く
なるように設計されており、例えば５００ｎｍである。Further, on the core layer 41, a p-type doped Al NP Ga (1-NP) N layer 42 is grown. This layer 4
0 functions as a p-type cladding layer in each of the optical waveguides 34 to 37. The Al composition of the p-type cladding layer 42 is, for example, N
P = 0.5. The thickness of the p-type cladding layer 42 is designed to be larger than the wavelength of light so that the skirt portion of the light confined in the optical waveguide layer (core layer) 41 does not reach the outside. For example, 500 nm.
【００４４】ＡｌＮの屈折率を２．０とし、ＧａＮの屈
折率を２．８とすると、ＮＰ＝０．５であるＡｌ0.5 Ｇ
ａ0.5 Ｎ層（ｐ型クラッド層）４２の屈折率ＮＮＰは、
２．４（＝２．０×０．５＋２．８×０．５）となる。Assuming that the refractive index of AlN is 2.0 and the refractive index of GaN is 2.8, Al 0.5 G where NP = 0.5
The refractive index NNP of the a 0.5 N layer (p-type cladding layer) 42 is
2.4 (= 2.0 × 0.5 + 2.8 × 0.5).
【００４５】上記において、コア層４１となっているド
ーピングしないＡｌCBＧａ(1-CB)Ｎ／ＡｌCWＧａ(1-CW)
Ｎ超格子（もしくは量子井戸）層の平均屈折率は２．７
２であるから、ｎ型クラッド層４０の屈折率２．４より
も、また、ｐ型クラッド層４２屈折率２．４よりも大き
く、十分に光の閉じ込めが可能であり、全体として光導
波路構造となっている。In the above, the non-doped Al CB Ga (1-CB) N / Al CW Ga (1-CW) serving as the core layer 41 is used.
The average refractive index of the N superlattice (or quantum well) layer is 2.7
2, the refractive index of the n-type cladding layer 40 is higher than 2.4, and the refractive index of the p-type cladding layer 42 is higher than 2.4, so that light can be sufficiently confined. It has become.
【００４６】かくして得られる光導波路３４〜３７の幅
は、例えば１μｍ程度にされる。The width of the optical waveguides 34 to 37 thus obtained is, for example, about 1 μm.
【００４７】マッハツェンダー型半導体光変調器の片側
のアーム３１をなす光導波路３５の一部３３は、図６に
示すような構造になっており、ｎ型ＧａＮ基板３８上
に、ｎ型にドープしたＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎクラッド層４
０、ドーピングしないＡｌ0.2Ｇａ0.8 Ｎ／ＧａＮ超格
子コア層４１、ｐ型にドープしたＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎク
ラッド層４２が順に成長している。The part 33 of the optical waveguide 35 forming the arm 31 on one side of the Mach-Zehnder type semiconductor optical modulator has a structure as shown in FIG. 6 and is n-type doped on an n-type GaN substrate 38. Al 0.5 Ga 0.5 N clad layer 4
0, an undoped Al 0.2 Ga 0.8 N / GaN superlattice core layer 41 and a p-type doped Al 0.5 Ga 0.5 N cladding layer 42 are grown in this order.
【００４８】このような部分３３にｐ電極４３を形成
し、ｎ型ＧａＮ基板３８の裏面に形成したｎ電極３９と
により、この部分３３、即ち屈折率変調領域３３にだけ
電界を印加できるようにしてある。ＳｉＯ2 層４４はｐ
電極４３を安定に形成するために、クラッド層４０、超
格子コア層４１及びクラッド層４２に沿って成長させて
ある。４５は電界印加用電源、４６は印加制御用スイッ
チである。A p-electrode 43 is formed on such a portion 33, and an n-electrode 39 formed on the back surface of an n-type GaN substrate 38 allows an electric field to be applied only to this portion 33, that is, the refractive index modulation region 33. It is. The SiO 2 layer 44 is p
In order to form the electrode 43 stably, it is grown along the clad layer 40, the superlattice core layer 41 and the clad layer. 45 is a power supply for applying an electric field, and 46 is a switch for controlling the application.
【００４９】そして、屈折率変調領域３３に基板３８に
対して負の電界を加えると、ｐｉｎ構造（ｐ型クラッド
層４２、超格子コア層４１、ｎ型クラッド層４０）に対
して逆バイアスが加わり、超格子コア層４１中の多重量
子井戸構造の井戸層に垂直な方向に電界を印加するとバ
ンド端近傍にある励起子吸収のピーク波長が長波長側に
変化する「量子閉じ込めシュタルク効果」により、吸収
係数即ち屈折率が変化する。When a negative electric field is applied to the refractive index modulation region 33 with respect to the substrate 38, a reverse bias is applied to the pin structure (the p-type cladding layer 42, the superlattice core layer 41, and the n-type cladding layer 40). In addition, when an electric field is applied in a direction perpendicular to the well layer of the multiple quantum well structure in the superlattice core layer 41, the peak wavelength of the exciton absorption near the band edge changes to the longer wavelength side due to the "quantum confined Stark effect". , The absorption coefficient, that is, the refractive index changes.
【００５０】この効果により、アーム３１側を通過した
信号光とアーム３２側を通過した信号光との間に位相差
が生じ、出力ポート２８では両アーム３１、３２の位相
差に応じた信号強度の変調が得られる。Due to this effect, a phase difference is generated between the signal light passing through the arm 31 and the signal light passing through the arm 32, and the signal intensity corresponding to the phase difference between the two arms 31 and 32 is generated at the output port 28. Is obtained.
【００５１】本例では、光導波路３４〜３７はリッジ型
となっているが、コア層４１の材料よりも屈折率の低い
材料を用いて埋め込むことにより、埋め込み構造の光導
波路、従って、埋め込み構造の半導体光変調器とするこ
とができる。In this embodiment, the optical waveguides 34 to 37 are of a ridge type. However, by embedding a material having a lower refractive index than the material of the core layer 41, the optical waveguide having a buried structure, that is, a buried structure is obtained. Semiconductor optical modulator.
【００５２】また、本例では、基板としてｎ型ＧａＮ基
板３８を用いているが、ＧａＮ系材料と比較的良好な格
子整合が可能なｎ型ＳｉＣ基板や、サファイヤ基板を用
いても良い。但し、サファイヤ基板を用いる場合には、
サファイヤ基板からの電気的接触を直接取ることができ
ないので、基板上面のｎ型クラッド層４１の部分から電
気的接触（ｎ電極３９）を取る必要がある。In this embodiment, the n-type GaN substrate 38 is used as the substrate. However, an n-type SiC substrate or a sapphire substrate capable of relatively good lattice matching with a GaN-based material may be used. However, when using a sapphire substrate,
Since electrical contact cannot be made directly from the sapphire substrate, it is necessary to make electrical contact (n-electrode 39) from the n-type cladding layer 41 on the upper surface of the substrate.
【００５３】コア層については超格子層に代えてバルク
層を用いることができ、また、クラッド層についてはバ
ルク層に代えて超格子層を用いることができるが、これ
らについては、図１３、図１４を参照して後で説明す
る。For the core layer, a bulk layer can be used in place of the superlattice layer, and for the clad layer, a superlattice layer can be used in place of the bulk layer. This will be described later with reference to FIG.
【００５４】［第３実施形態例］図７、図８を参照し
て、本発明の第３実施形態例を説明する。図７は本発明
の第３実施形態例に係る半導体光変調器を示す斜視図、
図８は量子閉じ込めシュタルク効果の吸収特性の電界依
存性を模式的に示す図である。Third Embodiment A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a perspective view showing a semiconductor optical modulator according to a third embodiment of the present invention,
FIG. 8 is a diagram schematically showing the electric field dependence of the absorption characteristics of the quantum confined Stark effect.
【００５５】本例では、光導波路としてリッジ構造を採
用し、光変調器構造としては最も単純な導波型となって
いる。In this example, a ridge structure is adopted as the optical waveguide, and the optical modulator structure is the simplest waveguide type.
【００５６】即ち本例では、ｐ型ＧａＮ基板４７上、
［０００１］方向に、ｐ型にドープしたＡｌNPＧａ
(1-NP)Ｎ層４８を形成する。この層４８は光導波路にお
けるクラッド層として働く。このｐ型クラッド層４８の
Ａｌ組成は例えばＮＰ＝０．５である。また、このｎ型
クラッド層４８の厚さは、光導波層（コア層）４９に閉
じ込められた光の裾部分がｐ型ＧａＮ基板４７に達しな
いように、光の波長程度よりは厚くなるように設計され
ており、例えば５００ｎｍである。That is, in this example, on the p-type GaN substrate 47,
In the [0001] direction, p-type doped Al NP Ga
(1-NP) An N layer 48 is formed. This layer 48 acts as a cladding layer in the optical waveguide. The Al composition of the p-type cladding layer 48 is, for example, NP = 0.5. The thickness of the n-type cladding layer 48 is set to be larger than the wavelength of light so that the skirt of the light confined in the optical waveguide layer (core layer) 49 does not reach the p-type GaN substrate 47. , For example, 500 nm.
【００５７】ＡｌＮの屈折率を２．０とし、ＧａＮの屈
折率を２．８とすると、ＮＰ＝０．５であるＡｌ0.5 Ｇ
ａ0.5 Ｎ層（ｐ型クラッド層）４８の屈折率ＮＮＰは、
２．４（＝２．０×０．５＋２．８×０．５）となる。Assuming that the refractive index of AlN is 2.0 and the refractive index of GaN is 2.8, Al 0.5 G where NP = 0.5
The refractive index NNP of the a 0.5 N layer (p-type cladding layer) 48 is
2.4 (= 2.0 × 0.5 + 2.8 × 0.5).
【００５８】このｐ型クラッド層４８の上に、不純物を
ドーピングしないＡｌCBＧａ(1-CB)Ｎ／ＡｌCWＧａ
(1-CW)Ｎ超格子層４９を成長する。この層４９はドーピ
ングしないＡｌCBＧａ(1-CB)Ｎ層とドーピングしないＡ
ｌCWＧａ(1-CW)Ｎ層とが交互に多数積層されたものであ
り、光導波路における光導波層（コア層）として動作す
る。On this p-type cladding layer 48, Al CB Ga (1-CB) N / Al CW Ga not doped with impurities is formed.
A (1-CW) N superlattice layer 49 is grown. This layer 49 comprises an undoped Al CB Ga (1-CB) N layer and an undoped A
1 CW Ga (1-CW) N layers are alternately stacked in large numbers, and operate as an optical waveguide layer (core layer) in an optical waveguide.
【００５９】今、ドーピングしないＡｌCBＧａ(1-CB)Ｎ
層は障壁層であり、その屈折率をＮＣＢ、障壁層厚さを
ＤＣＢと表す。又、ドーピングしないＡｌCWＧａ(1-CW)
Ｎ層は井戸層であり、その屈折率をＮＣＷ、井戸層厚さ
をＤＣＷと表す。Now, undoped Al CB Ga (1-CB) N
The layer is a barrier layer, and its refractive index is represented by NCB and the thickness of the barrier layer is represented by DCB. Undoped Al CW Ga (1-CW)
The N layer is a well layer, the refractive index of which is represented by NCW, and the thickness of the well layer is represented by DCW.
【００６０】ここで、コア層４９の各層の組成は例えば
ＣＢ＝０．２、ＣＷ＝０であり、障壁層厚さＤＣＢが４
ｎｍ、井戸層厚さＤＣＷが４ｎｍであるとする。また、
コア層４９の全体厚さは、例えば５０ｎｍである。Here, the composition of each layer of the core layer 49 is, for example, CB = 0.2, CW = 0, and the barrier layer thickness DCB is 4
nm, and the well layer thickness DCW is 4 nm. Also,
The entire thickness of the core layer 49 is, for example, 50 nm.
【００６１】従って、ＡｌＮの屈折率を２．０とし、Ｇ
ａＮの屈折率を２．８とすると、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎの
屈折率ＮＣＢは２．６４（＝２．０×０．２＋２．８×
０．８）であり、ＧａＮの屈折率ＮＷＮは２．８（＝
２．０×０＋２．８×１）となる。Therefore, if the refractive index of AlN is 2.0,
Assuming that the refractive index of aN is 2.8, the refractive index NCB of Al 0.2 Ga 0.8 N is 2.64 (= 2.0 × 0.2 + 2.8 ×
0.8), and the refractive index NWN of GaN is 2.8 (=
2.0 × 0 + 2.8 × 1).
【００６２】従って、コア層４９全体の平均屈折率は、
（ＮＣＢ×ＤＣＢ＋ＮＣＷ×ＤＣＷ）／（ＤＣＢ＋ＤＣ
Ｗ）＝（２．６４×４＋２．８×４）（４＋４）＝２．
７２となる。Accordingly, the average refractive index of the entire core layer 49 is:
(NCB × DCB + NCW × DCW) / (DCB + DC
W) = (2.64 × 4 + 2.8 × 4) (4 + 4) = 2.
72.
【００６３】更に、このコア層４９の上に、ｎ型にドー
プしたＡｌNNＧａ(1-NN)Ｎ層５０を成長する。この層５
０は光導波路におけるｎ型クラッド層として働く。この
ｎ型クラッド層５０のＡｌ組成は例えばＮＮ＝０．５で
ある。また、このｎ型クラッド層５０の厚さは、光導波
層（コア層）４９に閉じ込められた光の裾部分が外部に
達しないように、光の波長程度よりは厚くなるように設
計されており、例えば５００ｎｍである。Further, an n-type doped Al NN Ga (1-NN) N layer 50 is grown on the core layer 49. This layer 5
0 functions as an n-type cladding layer in the optical waveguide. The Al composition of the n-type cladding layer 50 is, for example, NN = 0.5. The thickness of the n-type cladding layer 50 is designed to be greater than the wavelength of light so that the skirt of light confined in the optical waveguide layer (core layer) 49 does not reach the outside. For example, 500 nm.
【００６４】ＡｌＮの屈折率を２．０とし、ＧａＮの屈
折率を２．８とすると、ＮＮ＝０．５であるＡｌ0.5 Ｇ
ａ0.5 Ｎ層（ｎ型クラッド層）５０の屈折率ＮＮＮは、
２．４（＝２．０×０．５＋２．８×０．５）となる。Assuming that the refractive index of AlN is 2.0 and the refractive index of GaN is 2.8, Al 0.5 G where NN = 0.5
The refractive index NNN of the a 0.5 N layer (n-type cladding layer) 50 is
2.4 (= 2.0 × 0.5 + 2.8 × 0.5).
【００６５】上記において、コア層４９となっているド
ーピングしないＡｌCBＧａ(1-CB)Ｎ／ＡｌCWＧａ(1-CW)
Ｎ超格子層の平均屈折率は２．７２であるから、ｐ型ク
ラッド層４８の屈折率２．４よりも、また、ｎ型クラッ
ド層５０の屈折率２．４よりも大きく、十分に光の閉じ
込めが可能であり、全体として光導波路構造となってい
る。In the above, the non-doped Al CB Ga (1-CB) N / Al CW Ga (1-CW) serving as the core layer 49 is used.
Since the average refractive index of the N superlattice layer is 2.72, the refractive index of the p-type cladding layer 48 is higher than 2.4, and the refractive index of the n-type cladding layer 50 is 2.4. Can be confined, and an optical waveguide structure is obtained as a whole.
【００６６】かくして得られる光導波路の幅は、例えば
１μｍ程度にされる。The width of the optical waveguide thus obtained is, for example, about 1 μm.
【００６７】本例では、コア層４９の平均の格子定数
は、ｐ型クラッド層４８及びｎ型クラッド層５０の格子
定数より小さいため、各層４８、４９、５０間の格子不
整合により、コア層４９の内面には延長応力が働く。こ
の応力に起因してピエゾ効果が働き、このピエゾ効果に
より、ドーピングしていないコア層４９に対して、無バ
イアス状態でも、既に逆バイアス方向に電界がかかって
いる。In the present embodiment, the average lattice constant of the core layer 49 is smaller than the lattice constants of the p-type cladding layer 48 and the n-type cladding layer 50. An extended stress acts on the inner surface of 49. The piezo effect works due to this stress, and an electric field has already been applied to the undoped core layer 49 in the reverse bias direction even in the no-bias state by the piezo effect.
【００６８】図８に、量子閉じ込めシュタルク効果の吸
収係数スペクトルの電界依存性を模式的に示す。図８に
おいて、無電界状態では５６で示す吸収特性を持ってい
たｐｉｎ構造に、逆バイアスを印加すると５７で示す特
性のように長波長側に吸収ピークがシフトする。FIG. 8 schematically shows the electric field dependence of the absorption coefficient spectrum of the quantum confined Stark effect. In FIG. 8, when a reverse bias is applied to the pin structure having the absorption characteristic indicated by 56 in the absence of an electric field, the absorption peak shifts to the longer wavelength side as indicated by the characteristic indicated by 57.
【００６９】そこで、本例の場合には、通常とは逆にピ
エゾ電界により無バイアス状態でも既に逆バイアスが印
加されている状態であるので、図８中の吸収特性５７を
示し、順バイアスを印加することによってｉ層の電界が
減少して図８中の吸収特性５６を示すことになる。Therefore, in the case of this example, the reverse bias has already been applied even in the no-bias state due to the piezo electric field, contrary to the normal case, so that the absorption characteristic 57 in FIG. By the application, the electric field of the i-layer is reduced, and the absorption characteristic 56 shown in FIG. 8 is shown.
【００７０】従って、信号波長を適当な波長にセットし
ておけば、バイアスの印加によって吸収を減少させるこ
とが可能であり、光の変調作用が実現する。Therefore, if the signal wavelength is set to an appropriate wavelength, it is possible to reduce the absorption by applying a bias, thereby realizing the light modulation action.
【００７１】図７の例においては、ｐ型ＧａＮ基板４７
の裏面にｐ電極５１を形成し、ｎ型クラッド層５０の表
面にｎ電極５２を形成し、両電極５１、５２間に電界を
印加できるようにしてある。ＳｉＯ2 層５３はｎ電極５
２を安定に形成するために、クラッド層４８、超格子コ
ア層４９及びクラッド層５０に沿って成長させてある。
５４は電界印加用電源、５５は印加制御用スイッチであ
る。In the example of FIG. 7, the p-type GaN substrate 47
A p-electrode 51 is formed on the back surface, and an n-electrode 52 is formed on the surface of the n-type cladding layer 50 so that an electric field can be applied between the electrodes 51 and 52. SiO 2 layer 53 is n-electrode 5
2 is grown along the cladding layer 48, the superlattice core layer 49, and the cladding layer 50 in order to form stably.
54 is a power supply for applying an electric field, and 55 is a switch for controlling the application.
【００７２】本例では、光導波路はリッジ型となってい
るが、コア層４９の材料よりも屈折率の低い材料を用い
て埋め込むことにより、埋め込み構造の光導波路、従っ
て、埋め込み構造の半導体光変調器とすることができ
る。In this example, the optical waveguide is of a ridge type. However, by embedding the optical waveguide with a material having a lower refractive index than the material of the core layer 49, the optical waveguide having the embedded structure, and hence the semiconductor optical device having the embedded structure, is obtained. It can be a modulator.
【００７３】また、本例では、基板としてｐ型ＧａＮ基
板４７を用いているが、ＧａＮ系材料と比較的良好な格
子整合が可能なｎ型ＳｉＣ基板や、サファイヤ基板を用
いても良い。但し、サファイヤ基板を用いる場合には、
サファイヤ基板からの電気的接触を直接取ることができ
ないので、基板上面のｐ型クラッド層４８の部分から電
気的接触（ｐ電極５１）を取る必要がある。Further, in this embodiment, the p-type GaN substrate 47 is used as the substrate. However, an n-type SiC substrate or a sapphire substrate which can relatively well lattice-match with a GaN-based material may be used. However, when using a sapphire substrate,
Since electrical contact from the sapphire substrate cannot be made directly, it is necessary to make electrical contact (p electrode 51) from the p-type cladding layer 48 on the upper surface of the substrate.
【００７４】また、本例では、コア層４９として超格子
を用いて量子閉じ込めシュタルク効果を利用したが、コ
ア層に、第１実施形態例で示したようなバルクＡｌＧａ
Ｎを用いてフランツケルディッシュ効果を利用しても良
い。In this embodiment, the quantum confined Stark effect is used by using a superlattice as the core layer 49. However, the core layer is formed of bulk AlGa as shown in the first embodiment.
The Franz-Keldysh effect may be used using N.
【００７５】更に、本例では、クラッド層４８、５０に
バルクＡｌＧａＮを使用しているが、第１実施形態例で
示したようなドーピングした超格子を使用することがで
きる。Furthermore, in this embodiment, bulk AlGaN is used for the cladding layers 48 and 50, but a doped superlattice as shown in the first embodiment can be used.
【００７６】［変形例（その１）］図１１、図１２を参
照して、第１実施形態例の変形例を説明する。[Modification (Part 1)] A modification of the first embodiment will be described with reference to FIGS.
【００７７】第１実施形態例では光導波路１１、１２の
コア層としてバルクＡｌＧａＮ層２０を使用したが、図
１１、図１２に示すように、第２実施形態例で示したよ
うな超格子コア層４１を用いることができる。この場合
には、量子閉じ込めシュタルク効果により、より効率の
良い光変調が可能となる。In the first embodiment, the bulk AlGaN layer 20 is used as the core layer of the optical waveguides 11 and 12. However, as shown in FIGS. 11 and 12, the superlattice core shown in the second embodiment is used. Layer 41 can be used. In this case, more efficient light modulation is possible due to the quantum confined Stark effect.
【００７８】また、第１実施形態例では光導波路１１、
１２のクラッド層としてｎ型超格子クラッド層１８及び
ｐ型超格子クラッド層２１を使用したが、図１１、図１
２に示すように、第２実施形態例で示したような単なる
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４０及びｐ型ＡｌＧａＮクラ
ッド層４２を用いても良い。In the first embodiment, the optical waveguide 11,
Although the n-type superlattice cladding layer 18 and the p-type superlattice cladding layer 21 were used as the cladding layers 12 in FIGS.
As shown in FIG. 2, a simple n-type AlGaN cladding layer 40 and a p-type AlGaN cladding layer 42 as shown in the second embodiment may be used.
【００７９】更に、第３実施形態例で示したと同様に、
光導波路１１、１２を構成する各層１８、２０、２１間
の格子不整合により生じるピエゾ電界が、逆バイアスと
同じ方向となるように、屈折率変調領域１３を構成する
ことが可能である。第１実施形態例では、例えば、コア
層２０の格子定数をｎ型超格子クラッド層１８及びｐ型
超格子クラッド層２１の平均格子定数より小さくして、
コア層２０の内面に延長応力を働かせるようにすること
ができる。この応力に起因してピエゾ効果が働き、この
ピエゾ効果により、ドーピングしていないコア層２０に
対して、無バイアス状態でも、既に逆バイアス方向に電
界がかかる。また、図１１、図１２に示す例では、例え
ば、超格子コア層４１の平均格子定数を、ｎ型ＡｌＧａ
Ｎクラッド層４０及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４２の
格子定数より小さくして、コア層４１の内面に延長応力
を働かせるようにすることができる。Further, as shown in the third embodiment,
The refractive index modulation region 13 can be configured so that the piezo electric field generated by the lattice mismatch between the layers 18, 20, and 21 constituting the optical waveguides 11 and 12 is in the same direction as the reverse bias. In the first embodiment, for example, the lattice constant of the core layer 20 is made smaller than the average lattice constants of the n-type superlattice cladding layer 18 and the p-type superlattice cladding layer 21.
An extended stress can be exerted on the inner surface of the core layer 20. The piezo effect works due to this stress, and an electric field is already applied to the non-doped core layer 20 in the reverse bias direction even in an unbiased state due to the piezo effect. In the examples shown in FIGS. 11 and 12, for example, the average lattice constant of the superlattice core layer 41 is set to n-type AlGa.
The lattice constant of the N clad layer 40 and the p-type AlGaN clad layer 42 can be made smaller than that of the lattice constant so that an extended stress acts on the inner surface of the core layer 41.
【００８０】［変形例（その２）］図１３、図１４を参
照して、第２実施形態例の変形例を説明する。[Modification (Part 2)] A modification of the second embodiment will be described with reference to FIGS.
【００８１】第２実施形態例では光導波路３４〜３７の
コア層として超格子層４１を使用したが、図１３、図１
４に示すように、第１実施形態例で示したようなＡｌＧ
ａＮのバルク層２０を用いることができる。この場合に
は、フランツケルディッシュ効果を利用できる。Although the superlattice layer 41 is used as the core layer of the optical waveguides 34 to 37 in the second embodiment, FIGS.
As shown in FIG. 4, AlG as shown in the first embodiment example
An aN bulk layer 20 can be used. In this case, the Franz Keldysh effect can be used.
【００８２】また、第２実施形態例では光導波路３４〜
３７のクラッド層としてｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４０
及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４２を用いたが、図１
３、図１４に示すように、第１実施形態例で示したよう
なｎ型超格子クラッド層１８及びｐ型超格子クラッド層
２１を使用しても良い。In the second embodiment, the optical waveguides 34 to 34
An n-type AlGaN cladding layer 40 as a cladding layer 37
And the p-type AlGaN cladding layer 42 was used.
3. As shown in FIG. 14, the n-type superlattice cladding layer 18 and the p-type superlattice cladding layer 21 as shown in the first embodiment may be used.
【００８３】更に、第３実施形態例で示したと同様に、
光導波路３４〜３７を構成する各層４０、４１、４２間
の格子不整合により生じるピエゾ電界が、逆バイアスと
同じ方向となるように、屈折率変調領域３３を構成する
ことが可能である。第２実施形態例では、例えば、超格
子コア層４１の平均格子定数を、ｎ型ＡｌＧａＮクラッ
ド層４０及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４２の格子定数
より小さくして、コア層４１の内面に延長応力を働かせ
るようにすることができる。この応力に起因してピエゾ
効果が働き、このピエゾ効果により、ドーピングしてい
ないコア層４１に対して、無バイアス状態でも、既に逆
バイアス方向に電界がかかる。また、図１３、図１４の
例では、例えば、コア層２０の格子定数をｎ型超格子ク
ラッド層１８及びｐ型超格子クラッド層２１の平均格子
定数より小さくして、コア層２０の内面に延長応力を働
かせるようにすることができる。Further, as shown in the third embodiment,
The refractive index modulation region 33 can be configured so that the piezo electric field generated by the lattice mismatch between the layers 40, 41, and 42 constituting the optical waveguides 34 to 37 is in the same direction as the reverse bias. In the second embodiment, for example, the average lattice constant of the superlattice core layer 41 is made smaller than the lattice constants of the n-type AlGaN cladding layer 40 and the p-type AlGaN cladding layer 42, so that an extended stress is applied to the inner surface of the core layer 41. You can let it work. The piezo effect works due to the stress, and an electric field is already applied to the undoped core layer 41 in the reverse bias direction even in a non-biased state by the piezo effect. 13 and 14, for example, the lattice constant of the core layer 20 is made smaller than the average lattice constant of the n-type superlattice cladding layer 18 and the p-type superlattice cladding layer 21 so that the inner surface of the core layer 20 An extended stress can be exerted.
【００８４】[0084]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体光
変調器によれば、光集積回路内においても紫外光に対す
る変調が可能となるため、高密度な光情報処理回路の実
現が可能となる。As described above, according to the semiconductor optical modulator of the present invention, since it is possible to modulate ultraviolet light even in an optical integrated circuit, it is possible to realize a high-density optical information processing circuit. Become.
【図１】本発明の第１実施形態例に係る交差型半導体光
変調器を示す平面図。FIG. 1 is a plan view showing a cross-type semiconductor optical modulator according to a first embodiment of the present invention.
【図２】図１中のII−II線断面図。FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG.
【図３】図１中のIII-III 線断面図。FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 1;
【図４】本発明の第２実施形態例に係るマッハツェンダ
ー型半導体光変調器を示す平面図。FIG. 4 is a plan view showing a Mach-Zehnder type semiconductor optical modulator according to a second embodiment of the present invention.
【図５】図４中のＶ−Ｖ線断面図。FIG. 5 is a sectional view taken along line VV in FIG. 4;
【図６】図４中のＶI-ＶI 線断面図。FIG. 6 is a sectional view taken along line VI-VI in FIG. 4;
【図７】本発明の第３実施形態例に係る導波型半導体光
変調器を示す斜視図。FIG. 7 is a perspective view showing a waveguide type semiconductor optical modulator according to a third embodiment of the present invention.
【図８】量子閉じ込めシュタルク効果の吸収特性の電界
依存性を模式的に示す図。FIG. 8 is a diagram schematically showing the electric field dependence of the absorption characteristics of the quantum confined Stark effect.
【図９】交差型光変調器の基本的な構成を示す図。FIG. 9 is a diagram showing a basic configuration of a cross-type optical modulator.
【図１０】マッハツェンダー型光変調器の基本的な構成
を示す図。FIG. 10 is a diagram showing a basic configuration of a Mach-Zehnder optical modulator.
【図１１】第１実施形態例の変形例を示す図２相当の断
面図。FIG. 11 is a sectional view corresponding to FIG. 2, showing a modification of the first embodiment.
【図１２】第１実施形態例の変形例を示す図３相当の断
面図。FIG. 12 is a sectional view corresponding to FIG. 3, showing a modification of the first embodiment.
【図１３】第２実施形態例の変形例を示す図５相当の断
面図。FIG. 13 is a sectional view corresponding to FIG. 5, showing a modification of the second embodiment.
【図１４】第２実施形態例の変形例を示す図６相当の断
面図。FIG. 14 is a sectional view corresponding to FIG. 6, showing a modification of the second embodiment.
１１、１２、３４、３５、３６、３７ 光導波路 １３、３３ 屈折率変調領域 １４、１５、１６、１７、２７、２８ ポート １８ ｎ型超格子クラッド層 １９、３８ ｎ型ＧａＮ基板 ２０ ＡｌＧａＮコア層 ２１ ｐ型超格子クラッド層 ２２、３９、５２ ｎ電極 ２３、４３、５１ ｐ電極 ２４、４４、５３ ＳｉＯ2 層 ２５、４５、５４ 電源 ２６、４６、５５ スイッチ ２９ 分岐 ３０ 合流 ３１、３２ アーム ４０、５０ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層 ４１、４９ 超格子コア層 ４２、４８ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層 ４７ ｐ型ＧａＮ基板 ５６ 量子閉じ込めシュタルク効果による吸収スペクト
ル（印加電圧＝０） ５６ 量子閉じ込めシュタルク効果による吸収スペクト
ル（印加電圧＜０）11, 12, 34, 35, 36, 37 Optical waveguide 13, 33 Refractive index modulation region 14, 15, 16, 17, 27, 28 port 18 n-type superlattice cladding layer 19, 38 n-type GaN substrate 20 AlGaN core layer 21 p-type superlattice cladding layer 22, 39, 52 n-electrode 23, 43, 51 p-electrode 24, 44, 53 SiO 2 layer 25, 45, 54 power supply 26, 46, 55 switch 29 branch 30 confluence 31, 32 arm 40 , 50 n-type AlGaN cladding layer 41, 49 superlattice core layer 42, 48 p-type AlGaN cladding layer 47 p-type GaN substrate 56 absorption spectrum due to quantum confined Stark effect (applied voltage = 0) 56 absorption spectrum due to quantum confined Stark effect ( Applied voltage <0)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 弘明 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 小林 直樹 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 2H079 AA02 BA01 DA16 EA05 EA08 EB04 HA11 2K002 AB04 AB09 BA06 CA13 DA06 DA12 EA04 EA08 EB03 GA10 HA17 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Hiroaki Ando 2-3-1 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo Within Nippon Telegraph and Telephone Corporation (72) Inventor Naoki Kobayashi 2-3-1, Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo No. 1 F-term in Nippon Telegraph and Telephone Corporation (reference) 2H079 AA02 BA01 DA16 EA05 EA08 EB04 HA11 2K002 AB04 AB09 BA06 CA13 DA06 DA12 EA04 EA08 EB03 GA10 HA17
Claims (3)
ッド層が積層した構成を有する半導体光変調器におい
て、前記光導波層は、不純物をドープしていないＡｌx
Ｇａ(1-x) Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１）を有し、第１クラ
ッド層は、ｐ型にドープしたＮＢＰなる屈折率を有する
ＡｌBPＧａ(1-BP)Ｎ層で厚さＤＢＰなる障壁層とｐ型に
ドープしたＮＷＰなる屈折率を有するＡｌWPＧａ(1-WP)
Ｎ層で厚さＤＷＰなる井戸層とが交互に積層され、（Ｎ
ＢＰ×ＤＢＰ＋ＮＷＰ×ＤＷＰ）／（ＤＢＰ＋ＤＷＰ）
の値が前記光導波層の屈折率より小さい構成を有し、第
２クラッド層は、ｎ型にドープしたＮＢＮなる屈折率を
有するＡｌBNＧａ(1-BN)Ｎ層で厚さＤＢＮなる障壁層と
ｎ型にドープしたＮＷＮなる屈折率を有するＡｌWNＧａ
(1-WN)Ｎ層で厚さＤＷＮなる井戸層とが交互に積層さ
れ、（ＮＢＮ×ＤＢＮ＋ＮＷＮ×ＤＷＮ）／（ＤＢＮ＋
ＤＷＮ）の値が前記光導波層の屈折率より小さい構成を
有することを特徴とする半導体光変調器。1. A semiconductor optical modulator having a configuration in which a first clad layer, an optical waveguide layer and a second clad layer are stacked, wherein the optical waveguide layer is made of Al x not doped with impurities.
The first cladding layer has Ga (1-x) N (where 0 ≦ x ≦ 1), and the first cladding layer is an Al BP Ga (1-BP) N layer having a refractive index of NBP doped with p-type. Al WP Ga (1-WP) having a DBP barrier layer and a p-type doped NWP having a refractive index of NWP
N layers are alternately stacked with well layers having a thickness of DWP, and (N
BP × DBP + NWP × DWP) / (DBP + DWP)
Is smaller than the refractive index of the optical waveguide layer, and the second cladding layer is an Al BN Ga (1-BN) N layer having a refractive index of n-type doped NBN and a barrier having a thickness of DBN. Al WN Ga having NWN made refractive index and doped layer and n-type
(1-WN) N layers and well layers having a thickness of DWN are alternately stacked, and (NBN × DBN + NWN × DWN) / (DBN +
DWN) is smaller than the refractive index of the optical waveguide layer.
ッド層が積層した構成を有する半導体光変調器におい
て、前記光導波層は、不純物をドープしていないＮＣＢ
なる屈折率を有するＡｌCBＧａ(1-CB)Ｎで厚さＤＣＢな
る障壁層とＮＣＷなる屈折率を有するＡｌCWＧａ(1-C W)
Ｎで厚さＤＣＷなる井戸層とを交互に積層した超格子も
しくは量子井戸を有し、第１クラッド層は、ｐ型にドー
プした、（ＮＣＢ×ＤＣＢ＋ＮＣＷ×ＤＣＷ）／（ＤＣ
Ｂ＋ＤＣＷ）より小さいＮＮＰなる屈折率を有するＡｌ
NPＧａ(1-NP)Ｎ層を有し、第２クラッド層は、ｎ型にド
ープした、（ＮＣＢ×ＤＣＢ＋ＮＣＷ×ＤＣＷ）／（Ｄ
ＣＢ＋ＤＣＷ）より小さいＮＮＮなる屈折率を有するＡ
ｌNNＧａ (1-NN)Ｎ層を有することを特徴とする半導体光
変調器。2. A first cladding layer, an optical waveguide layer and a second cladding layer.
Semiconductor optical modulator having a configuration in which a pad layer is stacked
The optical waveguide layer is formed of an undoped NCB.
Al having a refractive index ofCBGa(1-CB)N is the thickness DCB
Barrier layer and Al having a refractive index of NCWCWGa(1-C W)
A superlattice in which well layers having a DCW thickness of N are alternately stacked
Or a quantum well, and the first cladding layer is p-type doped.
(NCB × DCB + NCW × DCW) / (DC
B + DCW) Al having a refractive index of NNP smaller than
NPGa(1-NP)An N layer, and the second cladding layer is doped with n-type.
(NCB × DCB + NCW × DCW) / (D
A having a refractive index of NNN smaller than (CB + DCW)
lNNGa (1-NN)Semiconductor light characterized by having an N layer
Modulator.
において、前記各層間の格子不整合により生じるピエゾ
電界が、逆バイアスと同じ方向となることを特徴とする
半導体光変調器。3. The semiconductor optical modulator according to claim 1, wherein a piezo electric field generated by lattice mismatch between the respective layers is in the same direction as a reverse bias.
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