JP5705786B2 - Semiconductor optical phase modulator - Google Patents
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Description
本発明は光通信などに用いる光変調器に関し、より詳細には半導体からなる光位相変調器に関する。 The present invention relates to an optical modulator used for optical communication, and more particularly to an optical phase modulator made of a semiconductor.
インターネット等により通信トラフィックの大容量化が求められている。そのため、波長分割多重（ＷＤＭ）システムにおいて、１チャネル当たりの伝送速度の増加や波長数の増加が求められている。
具体的には、ＷＤＭシステムの伝送には４０Ｇｂｉｔ／ｓや１００Ｇｂｉｔ／ｓといった高い伝送速度が求められている。これらの伝送を可能にする光変調器として、現時点ではＬｉＮｂＯ3からなるマッハツェンダ型光変調器が主流である。
しかし、半導体からなるマッハツェンダ型光変調器は、大幅な小型化が可能であり、駆動電圧が小さいといった特徴があり注目されている。
There is a demand for an increase in communication traffic volume via the Internet and the like. Therefore, in a wavelength division multiplexing (WDM) system, an increase in transmission speed per channel and an increase in the number of wavelengths are required.
Specifically, high transmission rates such as 40 Gbit / s and 100 Gbit / s are required for transmission in the WDM system. At present, a Mach-Zehnder type optical modulator made of LiNbO 3 is mainly used as an optical modulator that enables these transmissions.
However, Mach-Zehnder type optical modulators made of semiconductors are attracting attention because they can be significantly reduced in size and have a low drive voltage.
半導体マッハツェンダ型光変調器の中でも、図１６（ａ）に示すように半導体基板１上に下部のｎ型半導体クラッド層２と、少なくともコアとなる層３ａ（ｉ−ｃｏｒｅ）を含んだｉ型半導体層３（コア層３ａ、第１のｉ型半導体層３ｂ、第２のｉ型半導体層３ｃ）と、ｐ型半導体バリア層４と、上部のｎ型半導体クラッド層５とが順次積層されたｎｐｉｎ構造（上からｎｐｉｎとなっている構造）の光導波路を有する半導体光位相変調器を備えた半導体マッハツェンダ型光変調器（ｎｐｉｎ−ＭＺ）が知られている。
ここで、コア層３ａは、動作光波長で電気光学効果が有効に働くように構成される。また、ｐ型半導体バリア層４は、電子バリアとして機能する。（特許文献１）なお、図中の６はシグナル電極、Ｆは伝搬光フィールドを示す円である。
Among semiconductor Mach-Zehnder optical modulators, as shown in FIG. 16A, an i-type semiconductor including a lower n-type
Here, the
上記のような構造の半導体マッハツェンダ型光変調器は、従来の半導体マッハツェンダ型光変調器の構造であるｐｉｎ型半導体マッハツェンダ型光変調器に比べて、ｐ層で発生する損失を抑えることができ比較的長い変調器を低損失に形成できる。また、低抵抗なｎ層を用いることで進行波を効率よく伝えることができ、空乏層の厚さを任意に最適設計できるという自由度があるため、駆動電圧の低減と電気速度／光速度の整合を同時に満足しやすく、変調器の応答速度を上げる上で有利である。 The semiconductor Mach-Zehnder type optical modulator having the above-described structure can suppress the loss generated in the p layer compared with the pin-type semiconductor Mach-Zehnder type optical modulator which is the structure of the conventional semiconductor Mach-Zehnder type optical modulator. A long modulator can be formed with low loss. In addition, since a traveling wave can be transmitted efficiently by using a low-resistance n-layer, and there is a degree of freedom that the thickness of the depletion layer can be arbitrarily designed arbitrarily, the drive voltage can be reduced and the electric speed / light speed can be reduced. It is easy to satisfy the matching at the same time, which is advantageous in increasing the response speed of the modulator.
しかし、ｎｐｉｎ型半導体光位相変調器は、トランジスタと同様の半導体層構造となっているので有限の光吸収がある場合、発生したホールキャリアがｐ型半導体バリア層４に蓄積するという現象が発生する。この現象は、半導体光位相変調器の電気的、光学的特性に不安定性を与える要因になる。通電履歴によってホールキャリアがｐ型半導体バリア層４にどれ程蓄積されたかにより、半導体マッハツェンダ型光変調器の半導体光位相変調器部分の駆動を開始した後、この半導体光位相変調器部分に流れる電流が変化してしまうことが起こる。また、ホールキャリアがｐ型半導体バリア層４に完全に蓄積するまでの間、半導体光位相変調器部分の光学特性の変化が起こってしまうことが問題となっていた。
However, since the npin-type semiconductor optical phase modulator has a semiconductor layer structure similar to that of a transistor, a phenomenon occurs in which generated hole carriers accumulate in the p-type
そこで、ｐ型半導体バリア層に蓄積したホールを引き抜くことで安定性化を図る試みが為されている。ここで、ｎｐｉｎ型半導***相変調器において重要なのがｐ型半導体バリア層のホールを如何に引き抜くかである。 Therefore, attempts have been made to achieve stability by extracting holes accumulated in the p-type semiconductor barrier layer. Here, what is important in the npin type semiconductor phase modulator is how to pull out holes in the p type semiconductor barrier layer.
特許文献２では、第２のｎ型半導体クラッド層５の一部の電導タイプをｎ型からｐ型に変えた領域を形成しそれらに接触する電極を形成して同電位にすることで、ｐ型半導体バリア層４のホールを第２のｎ型半導体クラッド層５上に設けた電極６に流すことが示されている。しかしながら、電導タイプをｎ型からｐ型に変更するために、Ｚｎを熱拡散させる、Ｂｅをインプランテーションするなどの工程が必要になる。これらの方法は、工程が複雑になるだけではなく、ＺｎやＢｅが光伝搬する領域に達すると光導波路の光伝搬損失が容易に増加するという欠点があった。
In
そこで、特許文献３では、図１６（ａ）のような上からｎｐｉｎとなっている構造を、上下入れ替えて逆に上からｎｉｐｎの構造となるように積層し、コア層３ａより下にあるｐ型半導体バリア層４を半導体基板１上に設けられた電極（図示省略）に電気的に接続することによって、ｐ型半導体バリア層４に蓄積したホールを抜き出す構造が示されている。
図１６（ｂ）のように単純に構造だけを上下入れ替えてｎｉｐｎ構造とした場合には、図１６（ａ）のｎｐｉｎ構造の場合と比べて、電位が逆になるため電界がかかる方向も逆になるが、機能的に全く同じで特性も同じである。即ち、図１６（ａ）のｎｐｉｎ構造と図１６（ｂ）のｎｉｐｎ構造の基本動作は変わらない（極性の変更はある）。従って、図１６（ｂ）のｎｉｐｎ構造でも、光吸収がある場合、発生したホールキャリアがｐ型バリア層４に蓄積するという現象は回避されない。
そこで特許文献３では、ｐ型半導体バリア層を光導波路のメサ構造の側面より飛び出した構造とし、この飛び出したｐ型半導体バリア層の一部をカソードに接続（この場合、下側の電極）に電気的に接続することによって、ｐ型半導体バリア層にホールキャリアが蓄積して特性が不安定になることを回避している。
Therefore, in
As shown in FIG. 16B, when the structure is simply switched up and down to form the nipn structure, the potential is reversed compared to the case of the npin structure in FIG. However, they are functionally identical and have the same characteristics. That is, the basic operation of the npin structure in FIG. 16A and the nipn structure in FIG. 16B is not changed (there is a change in polarity). Therefore, even in the nipn structure of FIG. 16B, the phenomenon that the generated hole carriers accumulate in the p-
Therefore, in
しかしながら、この構造の場合、上下逆にしたｎｉｐｎ構造では特性が得られないことがある。何故なら、図１７（ａ）のようにｐ型半導体バリア層４が伝搬光フィールドＦ内にある場合、伝搬光フィールドＦの形をゆがめる。即ち、ｐ型半導体バリア層４が光導波路のメサ構造の幅よりも広いため、伝搬光フィールドＦの形状がだるま形状になる。すると電界のかかる箇所と、伝搬光のオーバーラップ積分が小さくなるため、単位電界を与えた際の屈折率変調量（位相変調量）が小さくなってしまう。伝搬光フィールドＦがｐ型半導体バリア層４によって広がるため、閉じ込め係数が小さくなり、変調効率が劣化してしまう。
However, in the case of this structure, characteristics may not be obtained with the nipn structure upside down. This is because when the p-type
ｎｉｐｎ構造では実際は、上記の問題を避けるため、図１７（ｂ）に示すようにｐ型半導体バリア層４に伝搬光フィールドＦがかからないようにするためにｐ型半導体バリア層４と光が伝搬するコア層３ａとの間に十分な厚さのコア層３ａより屈折率の低いｉ型半導体層３ｂを挿入する必要がある。この場合は、ｉ型半導体層３の厚さが図１６（ａ），（ｂ）よりも厚くなってしまうため、単位電圧あたりの電界強度の低下を起こし、駆動電圧の増加を招く。このため、変調効率が図１６（ａ），（ｂ）の場合よりも悪くなってしまうといった問題がある。また、図１７（ｂ）のようにコア層３ａをｉ型半導体層３内の上部に寄せた場合、コア層３ａと上部電極６との距離が短くなる。このため、伝搬光フィールドＦが金属の上部電極６にかからないように十分な厚さのｎ型半導体クラッド層５（オーバークラッド）をコア層３ａの上部に用意しなければならない。
In the nipn structure, in order to avoid the above problem, light propagates with the p-type
このようにｎｉｐｎ構造とし、更にコア層３ａより下になるｐ型半導体バリア層４を光導波路のメサ構造の幅よりも広くし、この広くしたｐ型半導体バリア層４の箇所を下層の電極へ電気的に接続することによって、光吸収がある場合に発生したホールキャリアがｐ型半導体バリア層４に蓄積して特性を不安定にすることは避けられるが、半導体光位相変調器としての層構造の設計自由度が低くなるといった問題が発生する。また、分離溝形成、埋めもどしの難易度が上昇し、プロセス負荷が増大する。
Thus, the ppn
そもそも、ｎｉｐｎ構造では横に張り出したｐ型半導体バリア層４を形成することができるが、印加する極性の反転を嫌い、ｎｐｉｎ構造を半導体光位相変調器として採用したい場合については、ｐ型半導体バリア層に溜まったホールを引き出す方法が特許文献３には示されてはいない。
In the first place, a p-type
従って本発明は上記の事情に鑑み、ｎｐｉｎ構造、ｎｉｐｎ構造を問わず、プロセス負荷、ドーパントの拡散、インプランテーションによる伝搬損失を増加させことなく、ｐ型半導体バリア層のホールを抜き出す構造を実現することができ、また、設計の自由度を小さくせずにｐ型半導体バリア層からホールを引き出す効果があり、電気的、光学的に安定な半導体光位相変調器を提供することを課題としている。 Therefore, in view of the above circumstances, the present invention realizes a structure for extracting holes in the p-type semiconductor barrier layer without increasing the propagation loss due to process load, dopant diffusion, and implantation regardless of the npin structure or nipn structure. It is also an object of the present invention to provide an electrically and optically stable semiconductor optical phase modulator that has the effect of extracting holes from the p-type semiconductor barrier layer without reducing the degree of design freedom.
上記課題を解決する第１発明の半導体光位相変調器は、半導体基板上に設けた下部の第１のｎ型半導体クラッド層と、少なくともコアとなる層を含んだｉ型半導体層と、ｐ型半導体バリア層と、上部の第２のｎ型半導体クラッド層とを含む構造の光導波路を備えた半導体光位相変調器において、
前記光導波路における前記ｐ型半導体バリア層のホールを抜き出す構造が、前記光導波路の少なくとも１箇所に設けられており、
このｐ型半導体バリア層のホールを抜き出す構造は、
前記光導波路に交わるように設けられた前記ｐ型半導体バリア層を含む半導体からなる配線部と、
この配線部の先に接続された前記ｐ型半導体バリア層を含む半導体からなるものであって、前記ｐ型半導体バリア層の少なくとも一部が露出しているｐ型半導体バリア層接続部とを有し、
且つ、前記ｐ型半導体バリア層接続部における前記ｐ型半導体バリア層の露出部が、前記第２のｎ型半導体クラッド層の上部に設けられた電極に電気的に接続されている構成であること、
を特徴とする。A semiconductor optical phase modulator according to a first aspect of the present invention for solving the above-described problems is a lower first n-type semiconductor cladding layer provided on a semiconductor substrate, an i-type semiconductor layer including at least a core layer, and a p-type semiconductor layer. In a semiconductor optical phase modulator comprising an optical waveguide having a structure including a semiconductor barrier layer and an upper second n-type semiconductor cladding layer,
A structure for extracting holes in the p-type semiconductor barrier layer in the optical waveguide is provided in at least one location of the optical waveguide;
The structure for extracting holes in this p-type semiconductor barrier layer is as follows:
A wiring portion made of a semiconductor including the p-type semiconductor barrier layer provided so as to cross the optical waveguide;
A p-type semiconductor barrier layer connecting portion that is made of a semiconductor including the p-type semiconductor barrier layer connected to the tip of the wiring portion and at least a part of the p-type semiconductor barrier layer is exposed. And
The exposed portion of the p-type semiconductor barrier layer in the p-type semiconductor barrier layer connecting portion is electrically connected to an electrode provided on the second n-type semiconductor cladding layer. ,
It is characterized by.
また、第２発明の半導体光位相変調器は、第１発明の半導体光位相変調器において、
前記ｐ型半導体バリア層接続部における前記ｐ型半導体バリア層の露出部が、前記ｐ型半導体バリア層接続部上と前記配線部上と前記光導波路上に設けられたｎ型電極層を介して、前記光導波路上の前記ｎ型電極層上に設けられた前記電極に電気的に接続されていることを特徴とする。
The semiconductor optical phase modulator of the second invention is the semiconductor optical phase modulator of the first invention.
An exposed portion of the p-type semiconductor barrier layer in the p-type semiconductor barrier layer connection portion is interposed via an n-type electrode layer provided on the p-type semiconductor barrier layer connection portion, the wiring portion, and the optical waveguide. The electrode is electrically connected to the electrode provided on the n-type electrode layer on the optical waveguide.
また、第３発明の半導体光位相変調器は、第１又は第２発明の半導体光位相変調器において、
前記光導波路の少なくとも一部分が、幅の広い側が対向するように前記光導波路に形成された対のテーパー部によって太くなっており、
この対のテーパー部によって太くなった部分に交わるように前記配線部が設けられていること、
を特徴とする。
The semiconductor optical phase modulator of the third invention is the semiconductor optical phase modulator of the first or second invention.
At least a portion of the optical waveguide is thickened by a pair of tapered portions formed in the optical waveguide such that the wide side is opposed,
The wiring part is provided so as to cross the thickened part by this pair of tapered parts,
It is characterized by.
また、第４発明の半導体光位相変調器は、第３発明の半導体光位相変調器において、
前記対のテーパー部の何れか一方又は両方が、パラボラ形状のテーパー部であることを特徴とする。
The semiconductor optical phase modulator of the fourth invention is the semiconductor optical phase modulator of the third invention.
One or both of the pair of tapered portions is a parabolic tapered portion.
また、第５発明の半導体光位相変調器は、第３又は第４発明の半導体光位相変調器において、
前記対のテーパー部によって太くなった部分が、前記光導波路の少なくとも伝搬光が進入してくる方に設けられており、
前記電極によって電界が前記コアとなる層を含んだｉ型半導体層に印加され始める箇所が、前記伝搬光が進入してくる方に設けられた前記対のテーパー部によって太くなった部分内に設置され、前記コアとなる層を含んだｉ型半導体層に前記電極によって電界が印加される箇所と印加されない箇所との境界が、前記伝搬光が進入してくる方に設けられた前記対のテーパー部によって太くなった部分内に存在していること、
を特徴とする。
The semiconductor optical phase modulator of the fifth invention is the semiconductor optical phase modulator of the third or fourth invention.
A portion thickened by the pair of tapered portions is provided at least in the direction of propagating light of the optical waveguide,
The portion where the electric field starts to be applied to the i-type semiconductor layer including the core layer by the electrode is installed in a portion thickened by the pair of tapered portions provided in the direction in which the propagating light enters. And the pair of tapers provided at the boundary between the portion where the electric field is applied by the electrode and the portion where the electric field is not applied to the i-type semiconductor layer including the core layer. Exists in the part thickened by the part,
It is characterized by.
本発明の半導体光位相変調器によれば、半導体基板上に設けた下部の第１のｎ型半導体クラッド層と、少なくともコアとなる層を含んだｉ型半導体層と、ｐ型半導体バリア層と、上部の第２のｎ型半導体クラッド層とを含む構造の光導波路を備えた半導体光位相変調器において、プロセス負荷、ドーパントの拡散、インプランテーションによる伝搬損失の増加が少なく、ｐ型半導体バリア層のホールを抜き出す構造を実現することができる。また、設計の自由度を小さくせず、ホールを引きぬく効果があり、電気的、光学的に安定な半導体光位相変調器を提供することができる。 According to the semiconductor optical phase modulator of the present invention, a lower first n-type semiconductor cladding layer provided on a semiconductor substrate, an i-type semiconductor layer including at least a core layer, a p-type semiconductor barrier layer, In the semiconductor optical phase modulator having an optical waveguide having a structure including the upper second n-type semiconductor clad layer, the p-type semiconductor barrier layer has a small increase in propagation loss due to process load, dopant diffusion, and implantation. It is possible to realize a structure for extracting the holes. In addition, it is possible to provide an electrically and optically stable semiconductor optical phase modulator that has the effect of pulling holes without reducing the design freedom.
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
＜実施の形態例１＞
図１〜図９に基づき、本発明の実施の形態例１に係る半導体光位相変調器を備えたマッハツェンダ型光変調器について説明する。
<
A Mach-Zehnder optical modulator including the semiconductor optical phase modulator according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
まず、図３及び図４に基づき、本実施の形態例１の半導体光位相変調器４１の特徴について説明する。
図３及び図４に示すように、本実施の形態例１では、半導体基板１１上に設けた下部の第１のｎ型半導体クラッド層１２と、少なくともコアとなる層１３ａを含んだｉ型半導体層１３と、ｐ型半導体バリア層１４と、上部の第２のｎ型半導体クラッド層１５とを含む構造の光導波路３１を備えた半導体光位相変調器４１において、この光導波路３１におけるｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１が、光導波路３１の少なくとも１箇所に設けられている。
そして、このｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１は、光導波路３１に交わるように設けられたｐ型半導体バリア層１４を含む半導体からなる配線部５２と、この配線部５２の先に接続されたｐ型半導体バリア層１４を含む半導体からなるものであって、このｐ型半導体バリア層１４の少なくとも一部が露出（露出部１４ａ）しているｐ型半導体バリア層接続部５３とを有し、且つ、このｐ型半導体バリア層接続部５３におけるｐ型半導体バリア層１４の露出部１４ａが、第２のｎ型半導体クラッド層１５の上部に設けられたシグナル電極１６に電気的に接続されている構成であることを特徴としている。
更には、光導波路３１の少なくとも一部分３１Ｃが、幅の広い側３１Ａ−１，３１Ｂ−１が対向するように光導波路３１に形成された対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太く（幅が広く）なっており、この対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃに交わるように配線部５２が設けられていることを特徴としている。First, the characteristics of the semiconductor
As shown in FIGS. 3 and 4, in the first embodiment, an i-type semiconductor including a lower first n-type semiconductor clad
A
Furthermore, at least a
次に、図１〜図９に基づき、このような半導体光位相変調器４１を備えたマッハツェンダ型光変調器について説明する。なお、図２には下層のＧＮＤ電極１７を図示しているが、簡略化のために図１では下層のＧＮＤ電極１７を図示していない。
Next, a Mach-Zehnder type optical modulator including such a semiconductor
図１に示すように、本実施の形態例１のマッハツェンダ型光変調器１０１は、半導体からなるハイメサ光導波路から形成される、２つの３ｄＢカップラー６１とそれらを繋ぐ２つのアーム光導波路３１に形成される２つの半導体光位相変調器４１とを有してなるものである。
本実施の形態例１では、半導体光位相変調器４１部のアーム光導波路３１の長さを１．５ｍｍとし、アーム光導波路３１の幅は１．６μｍとした。半導体光位相変調器４１部の両端には、それぞれのアーム光導波路３１を電気的に絶縁する分離溝６２が形成してある。本実施の形態例１では、分離溝６２の幅を１０μｍとした。なお、分離溝に関しては特許文献４に開示されており、ここでの詳細な説明は省略する。
また、半導体光位相変調器４１部には素子外部との電気的接続を行うパッド６３が設けられ、パッド６１の下にはポリイミドにより台６４が設けられている。パッド６３は、その上面視を、１辺の長さが７５μｍの正方形状とした。
As shown in FIG. 1, the Mach-Zehnder type
In the first embodiment, the length of the arm
The semiconductor
図２に示すように、半絶縁性（ＳＩ（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ））−ＩｎＰ基板１１上には第１のｎ型電極層１８が形成されている。
そして、第１のｎ型電極層１８上には、下部の第１のｎ型半導体クラッド層１２と、コア層１３ａを含んだｉ型半導体層１３（コア層１３ａ、第１のｉ型半導体層１３ｂ、第２のｉ型半導体層１３ｃ）と、低濃度クラッド層１９と、ｐ型半導体バリア層１４と、第２のｎ型半導体クラッド層１５とが順次積層されることにより、ハイメサ構造でｎｐｉｎ構造の光導波路３１が形成されている。
また、第２のｎ型半導体クラッド層１５上には第２のｎ型電極層２０が形成され、第２のｎ型電極層２０上にはシグナル電極１６が形成されている。ＧＮＤ電極１７は、ハイメサ構造の光導波路３１の両側において第１のｎ型電極層１８上に形成されている。
As shown in FIG. 2, the first n-
Then, on the first n-
A second n-
そして、本実施の形態例１のマッハツェンダ型光変調器１０１では、ｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１が、２つのアーム光導波路３１に形成された半導体光位相変調器４１のそれぞれに設けられている。
In the Mach-Zehnder
図３及び図４に基づき、ｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１について詳述する。
A
図３及び図４に示すように、半導体光位相変調器４１部において光導波路３１の一部には、対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂが形成されている。テーパー部３１Ａ，３１Ｂは、その上面視が三角形状になっており、幅の広い側３１Ａ−１，３１Ｂ−１が、光導波路３１の長さ方向（光の伝搬方向）において互いに対向するように配置されている。本実施の形態例１ではテーパー部３１Ａ，３１Ｂの長さをそれぞれ１００μｍとし、テーパー３１Ａ，３１Ｂの幅の広い側３１Ａ−１，３１Ｂ−１の幅は５μｍとした。この対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって、光導波路３１の一部分３１Ｃが太く（幅が広く）なっている。
As shown in FIGS. 3 and 4, a pair of tapered
この対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃに交わるように配線部５２が設けられている。配線部５２は光導波路３１と同じ構造を持っている。即ち、配線部５２は、ｐ型半導体バリア層１４を含む半導体からなるものである。配線部５２の半導体幅は１．０μｍとした。
A
配線部５２に続いてｐ型半導体バリア層接続部５３があり、これが配線部５２の先に接続されている。即ち、この配線部５２を介して、光導波路３１（対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃ）とｐ型半導体バリア層接続部５３とが接続されている。ｐ型半導体バリア層接続部５３は光導波路３１と同じ構造を持っている。即ち、ｐ型半導体バリア層５３はｐ型半導体バリア層１４を含む半導体からなるものである。また、ｐ型半導体バリア層接続部５３には、その第２のｎ型電極層２０及び第２のｎ型半導体クラッド層１５に開けられた露出孔５３ａが設けられている。このため、ｐ型半導体バリア層接続部５３におけるｐ型半導体バリア層１４の一部（露出部１４ａ）が、露出孔５３ａから露出する。
Following the
そして、このｐ型半導体バリア層接続部５３におけるｐ型半導体バリア層１４の露出部１４ａが、第２のｎ型半導体クラッド層１５の上部に設けられたシグナル電極１６に電気的に接続されている。図示例では、ｐ型半導体バリア層１４の露出部１４ａが、金属配線７１によって直接シグナル電極１６に電気的に接続されている。金属配線７１は、ｐ型半導体バリア層接続部５３と配線部５２と光導波路３１（対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃ）における第２のｎ型電極層２０上及び露出孔５３ａ内に配設されて、一端がｐ型半導体バリア層１４の露出部１４ａに接続され、他端がシグナル電極１６に接続されている。
ｐ型半導体バリア層接続部５３は、その上面視を、１辺の長さが７５μｍの正方形状とした。ｐ型半導体バリア層接続部５３における露出孔５３ａ（即ちｐ型半導体バリア層１４の露出部１４ａ）は、その上面視を、１辺の長さが５０μｍの正方形状とした。
なお、図４（ａ）において、Ｗ１が光導波路３１の幅、Ｗ２が対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃの最大幅、Ｗ３が配線部５２の長さ、Ｗ４がｐ型半導体バリア層接続部５３の１辺の長さ、Ｗ５が露出孔５３ａ（露出部１４ａ）の１辺の長さである（図９（ａ）、図１２（ａ）においても同様）。
The exposed
The p-type semiconductor barrier
In FIG. 4A, W1 is the width of the
このような構成のホールを抜き出す構造５１を設けることにより、半導体光位相変調器４１の光導波路３１におけるｐ型半導体バリア層１４のホールを、配線部５２におけるｐ型半導体バリア層１４及びｐ型半導体バリア層接続部５３におけるｐ型半導体バリア層１４を介して、抜き出すことができる。
By providing the
次に、図１〜図５に基づき、マッハツェンダ型光変調器の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing a Mach-Zehnder optical modulator will be described with reference to FIGS.
まず、図５（ａ）に示すようにＳＩ−ＩｎＰ基板１１上に各層１８，１２，１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ），１９，１４，１５，２０を順次成長させて積層する
詳述すると、ＳＩ−ＩｎＰ基板１１上には、下部の第１のｎ型電極層１８（ｎ＋−ＩｎＧａＡｓ）を成長させて形成する。
続いて、この第１のｎ型電極層１８の上には、下部の第１のｎ型半導体クラッド層１２（ｎ−ＩｎＰ）を成長させて形成する。
この第１のｎ型半導体クラッド層１２の上には、第１の中間層である第１のｉ型半導体層１３ｂ（ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ）と、コア層１３ａ（ｉ−ｃｏｒｅ）と、第２の中間層である第２のｉ型半導体層１３ｃ（ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ）とを順次成長させて形成する。即ち、コア層１３ａを含んだｉ型半導体層１３を形成する。
このｉ型半導体層１３（第２のｉ型半導体層１３ｃ）の上には、低濃度クラッド層１９（ｉ−ＩｎＰ）を成長させて形成する。
この低濃度クラッド層１９の上には、電子バリアとして機能するｐ型半導体バリア層１４（ｐ−ＩｎＡｌＡｓ）を成長させて形成する。
このｐ型半導体バリア層１４の上には、上部の第２のｎ型半導体クラッド層１５（ｎ−ＩｎＰ）を成長させて形成する。
更に、この第２のｎ型半導体クラッド層１５には、上部の第２のｎ型電極層２０（ｎ＋−ＩｎＰ）を成長させて形成する。
First, as shown in FIG. 5A, the
Subsequently, a lower first n-type semiconductor clad layer 12 (n-InP) is grown and formed on the first n-
On the first n-type semiconductor clad
A low-concentration cladding layer 19 (i-InP) is grown and formed on the i-type semiconductor layer 13 (second i-
A p-type semiconductor barrier layer 14 (p-InAlAs) functioning as an electron barrier is grown and formed on the low-
On the p-type
Further, the second n-type semiconductor clad
ここでコア層１３ａは、動作光波長で電気光学効果が有効に働くように構成され、例えば、１．５μｍ帯のデバイスであれば、ＩｎＧａＡｌＡｓのＧａ／Ａｌ組成を変えた層を、それぞれ量子井戸層と量子バリア層にした多重量子井戸構造とすることができる。また、第１の中間層である第１のｉ型半導体層１３ｂは、光吸収で発生したキャリアをヘテロ界面でトラップされないようにするための接続層として機能する。
Here, the
次に、半導体マッハツェンダ型光変調器１０１を製作するには、２つのアーム光導波路３１を電気的に分離する必要があるため、これらのアーム光導波路３１に分離溝６２を形成する。変調電極とバランス電極が分かれているＭＺ構造の場合は、その間にも分離溝を設けて電気的分離を行う。
２つのアーム光導波路３１が電気的に分離されていないと、一方のアーム光導波路３１に設けた半導体光位相変調器４１に変調のため印加した電圧が、他方のアーム光導波路３１に設けた半導体光位相変調器４１の変調に影響を及ぼすためである。分離溝６２は、第２のｎ型電極層２０から電子バリアとして機能するｐ型半導体バリア層１４までの一部を、標準的なフォトリソグラフィーでパター二ングし、ウエットエッチング技術を用いて光導波路のアーム部分の何処かにおいて幅数ミクロンの溝となるように取り除くことによって形成する。
Next, in order to manufacture the semiconductor Mach-Zehnder type
If the two arm
なお、ここでは分離溝６２によって２つのアーム光導波路３１の電気的分離を行ったが、電極１６が接触する半導体光位相変調器４１部分の周辺以外を、石英のハードマスクを用いて第２のｎ型電極層２０から電子バリアとして機能するｐ型半導体バリア層１４までを除去した後、この除去した部分に半絶縁性のＩｎＰを再度成長して、半絶縁性のＩｎＰへの置き換を実施してもよい。
In this case, the two arm
次に、標準的なフォトリソグラフィー技術を用いて図１に示すようなマッハツェンダ型光変調器のパターンを、レジストを介してウエハー上に形成し、ドライエッチング技術を用いて第２のｎ型電極層２０から第１のｎ型半導体クラッド層１２の中間までをエッチングすることにより、ハイメサ型の光導波路構造を形成する。このときにｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１（テーパー部３１Ａ，３１Ｂ、配線部５２、ｐ型半導体バリア層接続部５３）の外形も同時に形成する（図３，図４）。その後、第１のｎ型半導体クラッド層１２をウエットエッチングすることにより、図５（ｂ）に示すように第１のｎ型電極層１８を露出させる。
Next, a pattern of a Mach-Zehnder type optical modulator as shown in FIG. 1 is formed on the wafer through a resist using a standard photolithography technique, and a second n-type electrode layer is formed using a dry etching technique. A high mesa type optical waveguide structure is formed by etching from 20 to the middle of the first n-type semiconductor clad
続いて、フォトリソグラフィー技術を用いて、ｐ型半導体バリア層接続部５３となるべき箇所以外を保護し、ウエットエッチングを用いてｐ型半導体バリア層接続部５３における第２のｎ型電極層２０及び第２のｎ型半導体クラッド層１５の一部に露出孔５３ａを設けることにより、ｐ型半導体バリア層接続部５３におけるｐ型半導体バリア層１４の一部（露出部１４ａ）を露出させる。
続いて、図５（ｃ）に示すように半導体光位相変調器４１のシグナル電極（変調電極）１６となる第１のｎ型電極を第２のｎ型電極層２０上に形成し、ＧＮＤ電極１７となる第２のｎ型電極を第１のｎ型電極層１８上に形成する。
そして、このとき同時に金属配線７１を、ｐ型半導体バリア層接続部５３と配線部５２と光導波路３１（対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃ）における第２のｎ型電極層２０上及び露出孔５３ａ内に配設することにより、この金属配線７１によってｐ型半導体バリア層１４の露出部１４ａと上部電極であるシグナル電極１６とを電気的に接続する。
Subsequently, a portion other than the portion to be the p-type semiconductor barrier
Subsequently, as shown in FIG. 5C, a first n-type electrode to be a signal electrode (modulation electrode) 16 of the semiconductor
At the same time, the
また、必要に応じて、パッシベーション膜を堆積してハイメサ構造の表面を保護するようにしてもよいし、ポリマーなどを利用してハイメサ構造を保護してもよい。その後、リフトオフ工程を用いて電極のパターンを形成する。必要がればメッキ工程を用いて金属電極を形成してもよい。 If necessary, a passivation film may be deposited to protect the surface of the high mesa structure, or the high mesa structure may be protected using a polymer or the like. Thereafter, an electrode pattern is formed using a lift-off process. If necessary, the metal electrode may be formed using a plating process.
本実施の形態例１では、ＳＩ−ＩｎＰ基板１１上に素子を形成し、ＧＮＤ電極１７を第１のｎ型電極層１８（ｎ＋−ＩｎＧａＡｓ）上に設置しているが、ｎ基板を用いてＧＮＤ電極は形成しない場合なども同様の効果が得られるのは言うまでもない。また、本実施の形態例１では、ハイメサ構造の光導波路を用いた場合を示しているが、電界を印加して位相変化を行う半導体からなる光導波路の構成であればその他の光導波路構造であっても差支えない。
In the first embodiment, an element is formed on the SI-
図６（ａ）には従来構造である、ｐ型半導体バリア層のホールを抜き出す構造がない半導体光位相変調器を備えたマッハツェンダ型光変調器（図示省略）の消光特性を示している。図６（ｂ）には本実施の形態例１のｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１を有する半導体光位相変調器４１を備えたマッハツェンダ型光変調器１０１の消光特性を示している。
なお、図６（ａ），（ｂ）では便宜上、上側の半導体光位相変調器にマイナスの電圧を印加した際の消光特性を横軸の負側に表示し、下側の半導体光位相変調器にマイナスの電圧を印加した際の特性をこの電圧に−１をかけて横軸の正側に表示している。つまり横軸の正側にプロットはしているが、実際に印加している電位はマイナスである。
FIG. 6A shows the extinction characteristics of a Mach-Zehnder optical modulator (not shown) having a semiconductor optical phase modulator that does not have a structure for extracting holes in the p-type semiconductor barrier layer, which is a conventional structure. FIG. 6B shows the extinction characteristic of the Mach-Zehnder
In FIGS. 6A and 6B, for convenience, the extinction characteristic when a negative voltage is applied to the upper semiconductor optical phase modulator is displayed on the negative side of the horizontal axis, and the lower semiconductor optical phase modulator is displayed. The characteristic when a negative voltage is applied to is shown on the positive side of the horizontal axis by multiplying this voltage by -1. That is, although the plot is on the positive side of the horizontal axis, the potential actually applied is negative.
図６（ａ），（ｂ）において、実線は半導体光位相変調器に電圧を印加し始めて直ぐの消光特性であり、点線は一定電圧である−８Ｖを上側の半導体光位相変調器にのみ１０分
間印加し続けた後に消光特性を取得した結果である。
6 (a) and 6 (b), the solid line shows the extinction characteristic immediately after applying a voltage to the semiconductor optical phase modulator, and the dotted line shows a constant voltage of −8V only to the upper semiconductor optical phase modulator. It is the result of acquiring the extinction characteristic after continuing applying for minutes.
図６（ａ）の場合には、電圧を印加した側の半導体光位相変調器での消光特性が時間とともに変化しているのが確認できる。これは、ｐ型半導体バリア層にホールが蓄積し、完全に蓄積が飽和するまでの間に起こる現象であり、ｎｐｉｎ構造のマッハツェンダ型光変調器の特性であり、初期的に不安定性を示すことを示している。
一方、図６（ｂ）の場合には、初期特性と１０分後の特性に差分はなく、全く同じ特性を示した。これは本実施の形態例１のｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１により、ｐ型半導体バリア層１４にホールの蓄積が起こらないため、特性を維持していることを示している。
In the case of FIG. 6A, it can be confirmed that the extinction characteristic of the semiconductor optical phase modulator on the side to which the voltage is applied changes with time. This is a phenomenon that occurs between the time when holes accumulate in the p-type semiconductor barrier layer and the accumulation completely saturates. This is a characteristic of the Mpin-Zehnder type optical modulator having the npin structure, and initially shows instability. Is shown.
On the other hand, in the case of FIG. 6B, there is no difference between the initial characteristic and the characteristic after 10 minutes, and the characteristic is exactly the same. This shows that the
従って、本実施の形態例１によれば、ｎｐｉｎ型半導***相変調器４１において有限の光吸収がある場合、発生したホールキャリアがｐ型半導体バリア層１４に蓄積するという現象により消光特性が不安定になることを改善し安定させる効果が得られる。
Therefore, according to the first embodiment, when the npin type
次に、図７に基づき、テーパー部３１Ａ，３１Ｂの効果について説明する。
図７（ａ）に示すようにテーパー部で光導波路３１の幅を広げず、この光導波路３１に半導体からなる配線部５２を接続した場合、配線部５２を接続した箇所での光導波路モードフィールドとのモード不整合により損失が発生して透過強度が劣化する。
これに対して、図７（ｂ）に示すように、対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂにより光導波路モードフィールドを断熱変換して広げ、この広がった箇所に配線部５２を接続させた場合、光導波路モードフィールドとのモード不整合が抑えられ、半導体からなる配線部５２を設置した影響を最小限に抑えることができる。発明者らの検討によると５μｍ幅まで対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって光導波路３１の幅を広げ、半導体からなる配線部５２の幅を１μｍとした場合、１箇所あたり０．１１ｄＢの過剰損失まで低減することができた。
無論、過剰損失は大きくなるが、テーパー部３１Ａ，３１Ｂを設けなくても、本発明の効果である特性の安定性は得られる。
Next, the effect of the
As shown in FIG. 7A, when the width of the
On the other hand, as shown in FIG. 7B, when the optical waveguide mode field is expanded by adiabatic conversion by the pair of tapered
Of course, the excess loss becomes large, but the stability of the characteristics that is the effect of the present invention can be obtained without providing the
また、テーパー部として本実施の形態例１では、光導波路３１の幅が線形に変化する、上面視が三角形状のテーパー部３１Ａ，３１Ｂを用いたが、この形状に限らず、例えば図８（ａ）に示すような上面視がパラボラ形状のテーパー部３１Ａ，３１Ｂを用いてもよい。この場合にも、光導波路３１の一部分３１Ｃが、幅の広い側３１Ａ−１，３１Ｂ−１が対向するように光導波路３１に形成された対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなり、この対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃに交わるように配線部５２が設けられる。
このパラボラ形状のテーパー部３１Ａ，３１Ｂの場合、光導波路３１の幅が線形的に変化する三角形状のテーパー部３１Ａ，３１Ｂよりも短距離で光導波路モードフィールドの拡大ができるため、占有面積を小さくする効果がある。
In the first embodiment, the
In the case of the parabolic
また、テーパー部３１Ａ，３１Ｂを対向させる点では、同じ形状のテーパー部３１Ａ，３１Ｂを対向させる必要もないことは言うまでもない。
Needless to say, the
また、対向するテーパー部３１Ａ，３１Ｂの間であれば、ｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１は半導体光位相変調器４１における光導波路３１のどこに設置してもよいし、また複数設置してもよい。図８（ｂ）には、対向するテーパー部３１Ａ，３１Ｂの間隔を長くすることにより、この対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃを長くし、この太くなった部分３１Ｃにｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１を３つ設けた例を示す。ｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１を複数設置した場合には、ｐ型半導体バリア層１４からホールが抜けやすくなるため、ホールを抜き出す効果がより得られる。
Further, the
また、本発明の構成では、光導波路の層構造が上からｎｐｉｎ構造であっても、その逆に上からｎｉｐｎ構造であっても、ｐ型半導体バリア層のホールを抜き出す構造を提供できる。
ｎｉｐｎ構造の例を図９に示す。図９ではＳＩ−ＩｎＰ基板１１上に第１のｎ型電極層１８が形成され、この第１のｎ型電極層１８上に下部の第１のｎ型半導体クラッド層１２が形成され、この第１のｎ型半導体クラッド層１２上にｐ型半導体バリア層１４が形成されている。更にｐ型半導体バリア層１４上には、コア層１３ａを含んだｉ型半導体層１３（コア層１３ａ、第１のｉ型半導体層１３ｂ、第２のｉ型半導体層１３ｃ）と、低濃度クラッド層１９と、第２のｎ型半導体クラッド層１５とが順次積層されてハイメサ構造でｎｐｉｎ構造の光導波路３１が形成されている。また、第２のｎ型半導体クラッド層１５上に第２のｎ型電極層２０が形成され、第２のｎ型電極層２０上にシグナル電極１６が形成され、第１のｎ型電極層１８上にＧＮＤ電極（図示省略）が形成されている。
In addition, the structure of the present invention can provide a structure for extracting holes in the p-type semiconductor barrier layer regardless of whether the layer structure of the optical waveguide is an npin structure from the top, or vice versa.
An example of the nipn structure is shown in FIG. In FIG. 9, a first n-
このようなｎｉｐｎ構造の場合には、ｐ型半導体バリア層のホールを抜き出す構造５３におけるｐ型半導体バリア層１４を露出させる工程で、同構造５３におけるｉ型半導体層
１３もエッチングして露出孔５３ａを形成することにより、ｐ型半導体バリア層１４の一部（露出部１４ａ）を露出させれば、この露出部１４ａを金属配線７１によって電極１６に電気的に接続させることができる。このため、ｎｉｐｎ構造の光導波路３１においても、ｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１を実現することができる。
In the case of such a nipn structure, in the step of exposing the p-type
＜実施の形態例２＞
図１０〜図１２に基づき、本発明の実施の形態例２に係る半導体光位相変調器を備えたマッハツェンダ型光変調器について説明する。なお、これらの図において上記実施の形態例１と同様の部分には同一の符号を付している。
<
A Mach-Zehnder optical modulator provided with the semiconductor optical phase modulator according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In these drawings, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
図１１及び図１２に示すように、実施の形態例１と同様に本実施の形態例２でも、半導体基板１１上に設けた下部の第１のｎ型半導体クラッド層１２と、少なくともコアとなる層１３ａを含んだｉ型半導体層１３と、ｐ型半導体バリア層１４と、上部の第２のｎ型半導体クラッド層１５とを含む構造の光導波路３１を備えた半導体光位相変調器４１において、この光導波路３１におけるｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１が、光導波路３１の少なくとも１箇所に設けられている。
そして、このｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１は、光導波路３１に交わるように設けられたｐ型半導体バリア層１４を含む半導体からなる配線部５２と、配線部５２の先に接続されたｐ型半導体バリア層１４を含む半導体からなるものであって、このｐ型半導体バリア層１４の少なくとも一部が露出（露出部１４ａ）しているｐ型半導体バリア層接続部５３とを有し、且つ、このｐ型半導体バリア層接続部５３におけるｐ型半導体バリア層１４の露出部１４ａが、第２のｎ型半導体クラッド層１５の上部に設けられた進行波型電極８１に電気的に接続されている構成であることを特徴としている。
更には、光導波路３１の少なくとも一部分３１Ｃが、幅の広い側３１Ａ−１，３１Ｂ−１が対向するように光導波路３１に形成された対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太く（幅が広く）なっており、この対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃに交わるように配線部５２が設けられていることを特徴としている。
As shown in FIGS. 11 and 12, in the second embodiment as well as the first embodiment, the lower first n-type semiconductor clad
The
Furthermore, at least a
そして、本実施の形態例２では、このような構成の半導***相変調器４１を備えたマッハツェンダ型光変調器であって、図１０に示すように高速動作をする進行波型電極８１を設けた高速光位相変調部８２と、動作点調整を行う光位相調整部８３を持つマッハツェンダ型光変調器１０２を作製した。
In the second embodiment, a Mach-Zehnder optical modulator including the
このマッハツェンダ型光変調器１０２の製造方法は、実施の形態例１と同じである。
実寸で、前段の進行波型電極８１による高速光位相変調部８２部分の長さは２ｍｍ、後段の光位相調整部８３部分の長さは１ｍｍとした。それ以外は実施の形態例１と同じである。
The manufacturing method of the Mach-Zehnder type
In actual size, the length of the high-speed optical
実施の形態例１に示したｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１では、ｐ型半導体バリア層１４を第１のｎ型半導体クラッド層１５の上部に設けられた電極１６に電気的に接続するために金属配線７１を、ｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１における配線部５２上及びｐ型半導体バリア層接続部５３上と、光導波路３１（対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃ）上とに形成して、ｐ型半導体バリア層１４の露出部１４ａと電極１６とを接続した。
In the
しかし、本実施の形態例１で作製したマッハツェンダ型光変調器１０２は、進行波型電極８１を形成している。高周波配線回路においては、ハイメサ光導波路上の金属とｐ型半導体バリア層とを金属をもって接続するとこの箇所は、高周波からみるとスタブ（Ｓｔｕｂ）として動作してしまうため、高周波配線回路の伝搬に影響を及ぼす。スタブとは高周波配線回路において伝送線路に並列に接続される分布定数線路のことである。
However, the Mach-Zehnder type
そこで、本実施の形態例２では、ｎｐｉｎ構造における第２のｎ型電極層２０を通じて、ｐ型半導体バリア層接続部５３におけるｐ型半導体バリア層１４（露出部１４ａ）と、高速光位相変調部８２における光導波路３１上の進行波型電極８１との電気的な接続を行っている。即ち、ｐ型半導体バリア層１４の露出部１４ａが、ｐ型半導体バリア層接続部５３上と配線部５２上と光導波路３１上に設けられた第２のｎ型電極層２０を介して、光導波路３１における第２のｎ型電極層２０上に設けられた進行波型電極８１に電気的に接続されている。
Therefore, in the second embodiment, the p-type semiconductor barrier layer 14 (exposed
ｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１における配線部５２の上には、金属による配線を実施しない。ｐ型半導体バリア層１４の露出部１４ａと、ｎｐｉｎ構造の光導波路３１における第２のｎ型電極層２０上の進行波型電極８１との電気的接続を行うため、ｐ型半導体バリア層接続部５３における第２のｎ型電極層２０上と露出孔５３内にだけ金属配線７１を形成している。即ち、金属配線７１の一端はｐ型半導体バリア層１４の露出部１４ａに接続され、金属配線７１の他端はｐ型半導体バリア層接続部５３における第２のｎ型電極層２０に接続されている。
Metal wiring is not performed on the
この場合、進行波型電極８１には直接金属配線７１を接続させずに済み、第２のｎ型電極層２０を介して電気的な接続を行う分には、スタブとしてはあまり機能せず、その影響を最小限に抑える効果がある。第２のｎ型電極層２０は金属に比べて抵抗値は大きいが、ｐ型半導体バリア層１４内に蓄積するホールを抜き出すには十分な導電性が得られる。
本実施の形態例２でも、実施の形態例１と同じように安定性を評価したが、実施の形態例１と同じく安定性が得られていることを確認した。また、本実施の形態例２の構造を採用している場合とそうでない場合とにおいて、高周波応答性を評価した結果、ＥＯレスポンスにおいて３ｄＢ帯域が２８ＧＨｚであって両者に差分は見られなかった。
In this case, it is not necessary to directly connect the
In the second embodiment, the stability was evaluated in the same manner as in the first embodiment, but it was confirmed that the same stability as in the first embodiment was obtained. In addition, as a result of evaluating the high frequency response in the case of adopting the structure of the second embodiment and in the case of not using it, the 3 dB band in the EO response was 28 GHz, and no difference was found between the two.
本実施の形態例２によると、ｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１によって特性の安定化をはかりつつ、高速応答性の劣化を抑える効果が得られる。
According to the second embodiment, it is possible to obtain the effect of suppressing the deterioration of the high-speed response while stabilizing the characteristics by the
＜実施の形態例３＞
図１３〜図１５に基づき、本発明の実施の形態例３に係る半導体光位相変調器を備えたマッハツェンダ型光変調器について説明する。なお、これらの図において上記実施の形態例１と同様の部分には同一の符号を付している。
<
A Mach-Zehnder optical modulator including the semiconductor optical phase modulator according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In these drawings, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
図１３及び図１４に示すように、実施の形態例１と同様に本実施の形態例３でも、ｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１によって、光導波路３１におけるｐ型半導体バリア層１４が第２のｎ型半導体クラッド層１５の上部に設けられた電極１６に電気的に接続されていることを特徴とする半導***相変調器４１を備えたマッハツェンダ型光変調器１０３を作製した。
As shown in FIGS. 13 and 14, in the third embodiment as well as the first embodiment, the p-type
このマッハツェンダ型光変調器１０３の製造方法で実施の形態例１と異なる点は、２つのアーム光導波路３１間の電気的分離を行う方法として分離溝ではなく、半絶縁ＩｎＰによるオーバークラッド置換を実施している点である。
The manufacturing method of the Mach-Zehnder type
まず、ＳＩ−ＩｎＰ基板１１上に実施の形態例１に示した層構造にて結晶成長を行う。その後、ガラスからなる選択マスクを製膜し、半導体光位相変調器４１部分の周辺のみを残すようにパターン化を行い、エッチングにより半導体光位相変調器４１部分以外の箇所（図１３の点線範囲Ｊの中の箇所）をｐ型半導体バリア層１４まで除去する。その後、絶縁性の高いＩｎＰにてオーバークラッド部を埋めもどして、半絶縁ＩｎＰの層２１を形成する。そうすることでオーバークラッドの一部を絶縁性の高いＩｎＰに置き換えることができる。
First, crystal growth is performed on the SI-
そして、本実施の形態例３では、光導波路３１に対向配置した対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太く（幅が広く）なった部分３１Ｃ内に、この半絶縁ＩｎＰ層２１を形成した部分と元からあるエピ構造の部分との境界を設定し、且つ、対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃにｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１を設けている。
図１４（ｂ）に示すように電界Ｅは元からあるエピ構造の部分のｉ型半導体層３１に印加され、半絶縁ＩｎＰ層２１にて置き換えた部分ではｉ型半導体層３１に電界Ｅが印加されない。
In the third embodiment, the
As shown in FIG. 14B, the electric field E is applied to the i-
即ち、本実施の形態例３では、対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃが、光導波路３１の少なくとも、矢印Ｅのように伝搬光が光導波路３１へ進入してくる方に設けられている。そして、電極１６によって電界Ｅがコア層１３ａを含んだｉ型半導体層１３に印加され始める箇所が、前記伝搬光が進入してくる方に設けられた対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃ内に設置され、コア層１３ａを含んだｉ型半導体層１３に電極１６によって電界Ｅが印加される箇所と印加されない箇所との境界が、前記伝搬光が進入してくる方に設けられた対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃ内に存在している。
That is, in the third embodiment, the
ここで、図１５に基づき、このような半導***相変調器４１を備えたマッハツェンダ型光変調器１０３の１つの故障モードについて説明する。
Here, based on FIG. 15, one failure mode of the Mach-Zehnder
電界Ｅが印加された箇所では、電界Ｅが印加されない箇所に比べてバンドギャップが動作波長に近づく。そのため電界Ｅが印加され始める点から条件によっては光の吸収が発生する。この光の吸収により伝搬光はｅｘｐ（−αＬ）で示される関数で減少していく。ここでαは吸収係数であり電界の関数でもある。Ｌは伝搬距離を示す。 In the place where the electric field E is applied, the band gap approaches the operating wavelength as compared with the place where the electric field E is not applied. Therefore, light absorption occurs depending on conditions from the point where the electric field E starts to be applied. Due to the absorption of this light, the propagation light decreases with a function represented by exp (−αL). Here, α is an absorption coefficient and a function of the electric field. L represents the propagation distance.
マッハツェンダ型光変調器１０３の１つの故障モードとしては、この光の吸収が動作条件によってはかなり大きくなり、光の吸収が発生して大きなフォトカレントが流れ、そのために発熱が大きくなり、光導波路３１自体を破損させる程度の温度上昇を引き起こして故障に至るという故障モードがある。しかも光の吸収はｅｘｐ（−αＬ）で減衰していくので光の伝搬方向からみて初めに電界Ｅが印加され始める箇所で故障は起こる。従って、この故障モードによる故障限界を引き上げる構造が求められる。
As one failure mode of the Mach-Zehnder type
ここで、流れる電流密度を落とすと単位体積当たりの発熱量は抑えられるので故障限界を拡張することが可能である。電流密度を落とす方法としては、電界Ｅが印加される箇所での光導波路幅を広くし、同じ電流が流れても、電流密度を抑えられれば良い。そこで、対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃを光導波路３１の伝搬光が進入してくる方に設けることにより、電界Ｅが印加され始める点で光導波路３１の幅を広くする。しかも、光導波路３１の幅を広くするだけではなく、対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃにｐ型半導体バリア層１４のホール抜き出す構造５１を設けることにより、ｐ型半導体バリア層１４内に蓄積するホールを抜き出す効果も同時に与えることができる。
Here, if the current density flowing is reduced, the amount of heat generation per unit volume can be suppressed, so that the failure limit can be extended. As a method of reducing the current density, the width of the optical waveguide at the portion to which the electric field E is applied is widened, and the current density may be suppressed even when the same current flows. Therefore, by providing a
本実施の形態例３によれば、対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂにより太くなった部分３１Ｃにｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１を設け、且つ、対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂにより太くなった部分３１Ｃ内に電界Ｅが印加される箇所と絶縁される箇所（電界Ｅが印加されない箇所）との境界を設定することで、ｐ型半導体バリア層１４内に蓄積するホールを抜き出す特性を安定化させるだけでなく、故障限界を引き上げて故障しにくい素子を提供することが可能になる。
According to the third embodiment, the
無論、電界Ｅが印加される箇所と絶縁される箇所（電界Ｅが印加されない箇所）との境界を対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂで広げて電流密度を下げる構造と、ｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１とを別々に半導体光位相変調器３１内に設けても効果はあるが、占有面積が大きくなるだけなので、これらの機能を併用することで小型化できる効果もある。
Of course, a structure in which the boundary between the portion to which the electric field E is applied and the portion to be insulated (the portion to which the electric field E is not applied) is widened by the pair of tapered
また、本実施の形態例３では、半絶縁ＩｎＰの成長によるオーバークラッド部の置き換えについて説明したが、重要なのは、電界Ｅが印加され始める箇所が対のテーパー部３１Ａ，３１Ｂによって太くなった部分３１Ｃ内にあり、この太くなった部分３１Ｃにｐ型半導体バリア層１４のホールを抜き出す構造５１が設けられることであるため、このような構造を有していれば、分離溝によって絶縁を実現した場合でも、同様の効果が得られる。
In the third embodiment, the replacement of the over clad portion by the growth of semi-insulating InP has been described. The important point is that the portion where the electric field E starts to be applied is thickened by the pair of tapered
本発明は光通信などに用いる半導体光位相変調器に関するものであり、この半導体光位相変調器を備えたマッハツェンダ型光変調器などに適用して有用なものである。 The present invention relates to a semiconductor optical phase modulator used for optical communication and the like, and is useful when applied to a Mach-Zehnder optical modulator equipped with this semiconductor optical phase modulator.
１１ ＳＩ−ＩｎＰ基板
１２ 第１のｎ型半導体クラッド層
１３ ｉ型半導体層
１３ａ コア層
１３ｂ 第１のｉ型半導体層１３ｂ
１３ｃ 第２のｉ型半導体層
１４ ｐ型半導体バリア層
１４ａ ｐ型半導体バリア層の露出部
１５ 第２のｎ型半導体クラッド層１５
１６ シグナル電極
１７ ＧＮＤ電極
１８ 第１のｎ型電極層
１９ 低濃度クラッド層
２０ 第２のｎ型電極層
２１ 半絶縁ＩｎＰ層
３１ 光導波路
３１Ａ テーパー部
３１Ａ−１ テーパー部の幅の広い側
３１Ｂ テーパー部
３１Ｂ−１ テーパー部の幅の広い側
３１Ｃ 対のテーパー部によって太くなった部分
４１ 半導体光位相変調器
５１ ｐ型半導体バリア層のホールを抜き出す構造
５２ 配線部
５３ ｐ型半導体バリア層接続部
５３ａ ｐ型半導体バリア層接続部の露出孔
６１ ３ｄＢカップラー
６２ 分離溝
６３ パッド
６４ パッドの台
７１ 金属配線
８１ 進行波型電極
８２ 高速光位相変調部
８３ 光位相調整部
11 SI-
13c Second i-type semiconductor layer 14 p-type
16
Claims (5)
前記光導波路における前記ｐ型半導体バリア層のホールを抜き出す構造が、前記光導波路の少なくとも１箇所に設けられており、
このｐ型半導体バリア層のホールを抜き出す構造は、
前記光導波路に交わるように設けられた前記ｐ型半導体バリア層を含む半導体からなる配線部と、
この配線部の先に接続された前記ｐ型半導体バリア層を含む半導体からなるものであって、前記ｐ型半導体バリア層の少なくとも一部が露出しているｐ型半導体バリア層接続部とを有し、
且つ、このｐ型半導体バリア層接続部における前記ｐ型半導体バリア層の露出部が、前記第２のｎ型半導体クラッド層の上部に設けられた電極に電気的に接続されている構成であること、
を特徴とする半導体光位相変調器。A lower first n-type semiconductor cladding layer provided on a semiconductor substrate; an i-type semiconductor layer including at least a core layer; a p-type semiconductor barrier layer; and an upper second n-type semiconductor cladding layer; In a semiconductor optical phase modulator comprising an optical waveguide having a structure including:
A structure for extracting holes in the p-type semiconductor barrier layer in the optical waveguide is provided in at least one location of the optical waveguide;
The structure for extracting holes in this p-type semiconductor barrier layer is as follows:
A wiring portion made of a semiconductor including the p-type semiconductor barrier layer provided so as to cross the optical waveguide;
A p-type semiconductor barrier layer connecting portion that is made of a semiconductor including the p-type semiconductor barrier layer connected to the tip of the wiring portion and at least a part of the p-type semiconductor barrier layer is exposed. And
In addition, the exposed portion of the p-type semiconductor barrier layer in the p-type semiconductor barrier layer connecting portion is electrically connected to an electrode provided on the second n-type semiconductor cladding layer. ,
A semiconductor optical phase modulator.
前記ｐ型半導体バリア層接続部における前記ｐ型半導体バリア層の露出部が、前記ｐ型半導体バリア層接続部上と前記配線部上と前記光導波路上に設けられたｎ型電極層を介して、前記光導波路上の前記ｎ型電極層上に設けられた前記電極に電気的に接続されていることを特徴とする半導体光位相変調器。 The semiconductor optical phase modulator according to claim 1.
An exposed portion of the p-type semiconductor barrier layer in the p-type semiconductor barrier layer connection portion is interposed via an n-type electrode layer provided on the p-type semiconductor barrier layer connection portion, the wiring portion, and the optical waveguide. A semiconductor optical phase modulator characterized by being electrically connected to the electrode provided on the n-type electrode layer on the optical waveguide.
前記光導波路の少なくとも一部分が、幅の広い側が対向するように前記光導波路に形成された対のテーパー部によって太くなっており、
この対のテーパー部によって太くなった部分に交わるように前記配線部が設けられていること、
を特徴とする半導体光位相変調器。 The semiconductor optical phase modulator according to claim 1 or 2,
At least a portion of the optical waveguide is thickened by a pair of tapered portions formed in the optical waveguide such that the wide side is opposed,
The wiring part is provided so as to cross the thickened part by this pair of tapered parts,
A semiconductor optical phase modulator.
前記対のテーパー部の何れか一方又は両方が、パラボラ形状のテーパー部であることを特徴とする半導体光位相変調器。 The semiconductor optical phase modulator according to claim 3,
One or both of the pair of taper portions are parabolic taper portions, and the semiconductor optical phase modulator.
前記対のテーパー部によって太くなった部分が、前記光導波路の少なくとも伝搬光が進入してくる方に設けられており、
前記電極によって電界が前記コアとなる層を含んだｉ型半導体層に印加され始める箇所が、前記伝搬光が進入してくる方に設けられた前記対のテーパー部によって太くなった部分内に設置され、前記コアとなる層を含んだｉ型半導体層に前記電極によって電界が印加される箇所と印加されない箇所との境界が、前記伝搬光が進入してくる方に設けられた前記対のテーパー部によって太くなった部分内に存在していること、
を特徴とする半導体光位相変調器。 The semiconductor optical phase modulator according to claim 3 or 4,
A portion thickened by the pair of tapered portions is provided at least in the direction of propagating light of the optical waveguide,
The portion where the electric field starts to be applied to the i-type semiconductor layer including the core layer by the electrode is installed in a portion thickened by the pair of tapered portions provided in the direction in which the propagating light enters. And the pair of tapers provided at the boundary between the portion where the electric field is applied by the electrode and the portion where the electric field is not applied to the i-type semiconductor layer including the core layer. Exists in the part thickened by the part,
A semiconductor optical phase modulator.
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