JP2001305498A - 半導体光変調器 - Google Patents

半導体光変調器

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JP2001305498A
JP2001305498A JP2000125510A JP2000125510A JP2001305498A JP 2001305498 A JP2001305498 A JP 2001305498A JP 2000125510 A JP2000125510 A JP 2000125510A JP 2000125510 A JP2000125510 A JP 2000125510A JP 2001305498 A JP2001305498 A JP 2001305498A
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refractive index
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doped
optical waveguide
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Application number
JP2000125510A
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Tadashi Saito
正 齊藤
Masami Kumagai
雅美 熊谷
Hiroaki Ando
弘明 安藤
Naoki Kobayashi
小林  直樹
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 紫外光領域でも使用波可能な半導体光変調器
の提供。 【解決手段】 半導体光変調器の光導波路11、12を
ワイドギャップ半導体であるAlN、GaN及びAlG
aNを用いて構成する。n型GaN基板19に、n型に
ドープしたAlBNGa(1-BN)N/AlWNGa(1-WN)N超
格子クラッド層18を形成し、その上に、不純物をドー
プしていないAlx Ga(1-x) Nコア層20を成長し、
更に、p型にドープしたAlBPGa(1-BP)N/AlWP
(1-WP)N超格子クラッド層21を成長する。Alx
(1-x) Nコア層20の屈折率は、n型及びp型の超格
子クラッド層18、21の平均屈折率よりも大きい。

Description

【発明の詳細な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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)
層を有することを特徴とする。
【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。
【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。
【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。
【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
WNGa(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。
【0013】今、n型にドープしたAlBNGa(1-BN)
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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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
WPGa(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。
【0020】今、p型にドープしたAlBPGa(1-BP)
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。
【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。
【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、Al0.25Ga0.75
の屈折率NWPは2.6(=2.0×0.25+2.8
×0.75)となる。
【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。
【0024】上記において、コア層20となっているA
0.2 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。
【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。
【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/Al0.25
0.75N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。
【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
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。
【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。
【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)
【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)
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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
0.5 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。
【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)
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。
【0039】今、ドーピングしないAlCBGa(1-CB)
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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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
0.5 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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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
0.5 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。
【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
CWGa(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。
【0059】今、ドーピングしないAlCBGa(1-CB)
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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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
0.5 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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【図2】図1中のII−II線断面図。
【図3】図1中のIII-III 線断面図。
【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。
【図5】図4中のV−V線断面図。
【図6】図4中のVI-VI 線断面図。
【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。
【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。
【図9】交差型光変調器の基本的な構成を示す図。
【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。
【図11】第1実施形態例の変形例を示す図2相当の断
面図。
【図12】第1実施形態例の変形例を示す図3相当の断
面図。
【図13】第2実施形態例の変形例を示す図5相当の断
面図。
【図14】第2実施形態例の変形例を示す図6相当の断
面図。
【符号の説明】
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)
───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 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-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。
  2. 【請求項2】 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-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
    NNGa (1-NN)N層を有することを特徴とする半導体光
    変調器。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の半導体光変調器
    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。
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