WO2009087927A1 - 半導体光変調器及び光変調装置 - Google Patents

半導体光変調器及び光変調装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2009087927A1
WO2009087927A1 PCT/JP2008/073724 JP2008073724W WO2009087927A1 WO 2009087927 A1 WO2009087927 A1 WO 2009087927A1 JP 2008073724 W JP2008073724 W JP 2008073724W WO 2009087927 A1 WO2009087927 A1 WO 2009087927A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
semiconductor optical
type
layer
semiconductor
optical waveguide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2008/073724
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tadao Ishibashi
Kazuhiro Maruyama
Kenji Kobayashi
Tomoyuki Akeyoshi
Nobuhiro Kikuchi
Ken Tsuzuki
Mitsuteru Ishikawa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Electronics Corp
NTT Inc
Original Assignee
NTT Electronics Corp
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NTT Electronics Corp, Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical NTT Electronics Corp
Priority to CN200880124499.XA priority Critical patent/CN101910913B/zh
Priority to EP08869482.3A priority patent/EP2230549B1/en
Priority to US12/811,565 priority patent/US8401344B2/en
Publication of WO2009087927A1 publication Critical patent/WO2009087927A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
    • G02F1/025—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction in an optical waveguide structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2201/00—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
    • G02F2201/07—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 buffer layer

Definitions

  • FIG. 3 shows an npin-type semiconductor optical modulator structure when the waveguide electrical separation method described in FIG. 2 is adopted.
  • the local p-type region 29-3 comes into contact with the p-type barrier layer 26, and the waveguide cannot be electrically separated at all times.
  • a first semiconductor optical waveguide having a structure and having an electro-optic effect; and connected to the first semiconductor optical waveguide in a light propagation direction, and the second cladding layer of the stacked structure of the first semiconductor optical waveguides is an n-type
  • the n-type second cladding layer 37 of the second semiconductor optical waveguide 41 of the semiconductor optical modulator of FIG. 4 has p-type semiconductors 38 at both ends in the light propagation direction, and includes the first semiconductor optical waveguide 40-1 and the first semiconductor.
  • the optical waveguide 39, the first semiconductor optical waveguide 40-2, the second semiconductor optical waveguide 41-1, and the second semiconductor optical waveguide 41-2 are alternately connected in the light propagation direction.
  • the resistance of the p-type barrier layer 36 is sufficiently high, even if there is a voltage difference between the second electrode 42 and the second electrode 43, the DC leakage current due to the voltage difference is substantially It is possible to suppress to a range that does not affect the modulation operation. Further, the coupling in the light propagation direction in the n-type second cladding layer 37 portion of the second semiconductor optical waveguide 41 is cut by a pn junction between the p-type semiconductor 38 and another n-type semiconductor portion.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the light modulation device of the present embodiment.
  • the light modulation device in FIG. 5 is a Mach-Zehnder interferometer type light modulation device using the semiconductor light modulator described in the first embodiment as an arm waveguide.
  • the optical modulation device of FIG. 5 includes a semiconductor optical modulator 51, an optical branching circuit 61, and an optical multiplexing circuit 62.
  • the optical multiplexing circuit 62 includes an optical output waveguide 54-3, an optical output waveguide 54-4, a multimode interferometer 53-2, an electrical isolation waveguide 52-3, and an electrical isolation waveguide 52-4.
  • the multimode interferometer 53-2 inputs the signal light modulated by the semiconductor optical modulator 51-1 and the semiconductor optical modulator 51-2 via the electrical separation waveguide 52-3 and the electrical separation waveguide 52-4. Then, the input light is multiplexed and output to the optical output waveguide 54-3 and the optical output waveguide 54-4.

Landscapes

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

Abstract

　本発明に係る半導体光変調器は、コア層、前記コア層を挟み下部及び上部にそれぞれ配置される第１クラッド層及び第２クラッド層、並びに前記第２クラッド層と前記コア層との間に挿入されるバリア層を含む積層構造からなる第１半導体光導波路と、前記第１半導体光導波路の積層構造のうち、前記第２クラッド層がｎ型半導体内で局所的に積層方向に貫通するｐ型半導体を持つ積層構造からなる第２半導体光導波路と、前記第１半導体光導波路の前記第１クラッド層に接続される第１電極と、前記第１半導体光導波路の前記第２クラッド層と前記第２半導体光導波路の前記第２クラッド層のｐ型半導体とを電気的に接続する第２電極と、を備える。

Description

半導体光変調器及び光変調装置
　本発明は、長波長帯において超高速で動作する半導体光変調器及びこれを利用する光変調装置に関するものである。
　高密度波長多重光通信システムに使用されるトランスミッタは、通常、レーザダイオード光源と外部変調器を組み合わせて光信号を発生させる方式を取る。この種の目的に使用される典型的な外部変調器は、ＬｉＮｂＯ３（以後、「ＬＮ」と略記する。）導波路で製作されるＬＮ変調器である。電気光学効果による屈折率の変調がその動作の基本であり、単純な光位相変調器のほかに、マッハツェンダ干渉計を組んだ光強度変調器などがある。
　最近、小形化の面でＬＮ変調器よりも有利な半導体光変調器が注目されている。半絶縁性のＧａＡｓにショトキー電極を配置し、それを光電子導波路としたＧａＡｓ光変調器や、ヘテロｐｉｎ接合を用いて、光の閉じ込めと共に導波路のコア部分に効果的に電圧が印加される様にしたＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器などである。
　半導体光変調器は小形であるという利点を持つ反面、駆動電圧が高いという問題があり、その問題を避ける構造として、両方のＩｎＰクラッド層をｎ型とし、電子電流を抑制するためのバリア層として薄いｐ型半導体の層（ｐ型のバリア層）を挿入したｎｐｉｎ形の半導体光変調器構造が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。このｎｐｉｎ形は、光ロスの要因となるｐ型のクラッド層を使わないため、比較的長い導波路を用いることを可能とし、駆動電圧を下げる上で優位となる。また、空乏層厚を任意に最適設計できるという自由度があるため、電気インピーダンスダンスの整合と、電気速度／光速度の整合を同時に満足しやすく、高速化にも有利である、という特徴を持つ。
　ｎｐｉｎ形の半導体光変調器構造は、上部のｎ型のクラッド層の導電率が従来のｐｉｎ形のｐ型のクラッドの導電率にくらべて大きいことが知られている。このことは、例えば、一様な構造のｎｐｉｎ形では、導波路上部のアノード電極に沿って光の進行方向に向かってのみ導波路に印加されるべき変調のための電気信号が、ｎ型のクラッド層を通じてアノード電極がない部分の導波路に漏れることになる。また、一定のＤＣバイアスも導波路に印加されることもあり、同様にアノード電極がない部分の導波路にＤＣバイアスが印加されることもある。この電気信号やＤＣバイアスの漏れは変調動作に影響を及ぼすため、ｎｐｉｎ形の半導体光変調器の構造には、導波路に電気信号やＤＣバイアスを印加する部分と導波路にこれらを印加しない部分とに分離する導波路電気的分離の手法が取り入れられている。
　この分離手法の一例を図１に示す。図１のｎｐｉｎ形の半導体光変調器構造は、導波路２４の上部からの層構成をｎ－ｐ－ｉ－ｎの順として、上部のｎ型の第２クラッド層２７とｐ型のバリア層２６の一部を凹加工した電気分離溝（グルーブ）２９－１を形成して、導波路電気的分離の手法が取り入れられている。
　しかし、図１のｎｐｉｎ形の半導体光変調器構造が取り入れている導波路電気的分離の手法は、電気的な分離は完全ではあるが、導波路の局所的な不均一による光の散乱が発生するため、光回折ロスを解消することが課題であった。
　この光回折ロスを解消した導波路電気的分離の手法の例を図２に示す。図２のｎｉｐｎ形の半導体光変調器構造は、導波路２４の上部からの層構成をｎ－ｉ－ｐ－ｎの順として、ｐ型ドーパントのイオン注入や再成長法により、ｎ型の第１クラッド層２３の下面に達する局所的なｐ型領域２９－２を再形成している（例えば、特許文献２を参照。）。
　図２のｎｉｐｎ形の半導体光変調器構造は、導波路２４の上部からの層構成が図１の層構成と逆である。この理由を以下に説明する。図２で説明した導波路電気的分離の手法を取り入れた場合のｎｐｉｎ形の半導体光変調器構造を図３に示す。ｎｐｉｎ形では、局所的なｐ型領域２９－３がｐ型のバリア層２６と接触してしまい、常に導波路電気的分離することができない。
　具体的には、大きな逆方向のＤＣバイアスが印加され、ｐ型のバリア層２６が空乏化している状態では、導波路電気的分離が可能である。しかし、ｐ型のバリア層２６の全アクセプタ量が大きく、逆向きのＤＣバイアスが所定値以下の小さな状態では、ｐ型のバリア層２６の一部にホールが残留する中性化が生じてしまい、高周波の電気信号について導波路電気的分離ができなくなる。すなわち、上部にアノード電極２８があるｎ型の第２クラッド層２７と上部にアノード電極２８がないｎ型の第２クラッド層２７とが電気的に分離されていても、高周波の電気信号は、ｐ型のバリア層２６を介して上部にアノード電極２８がない部分の導波路２４に漏れることになる。
　また、そのような電気的に「フローティング状態」にあるｐ型のバリア層２６の電位は不安定であるから、温度やバイアス電圧に依存して暗電流が変化し、導波路２４の電界も変化することになる。これは、素子の長期信頼性にも大きく影響する。このように、ｎ型のクラッド層にｐ型領域を形成する導波路電気的分離の手法は、バリア層の一部が中性化する場合にも導波路電気的分離を可能とするため、構造を上下反転させたｎｉｐｎ形とする必要があった。
特開２００５－０９９３８７号公報 特開２００５－１１６６４４号公報
　しかし、ｎｉｐｎ形の半導体光変調器構造は製造上の課題がある。具体的には、ｎｉｐｎ形の各半導体層をエピタキシャル成長する際、成長雰囲気に残留するｐ型ドーパントの影響で、バリア層上の導波路となるｉ層の不純物バックグラウンド濃度が求められる濃度（例えば、２×１０１５／ｃｍ３）以下になりにくい。このため、ｎｉｐｎ形の半導体光変調器構造では、電気信号の入力に対して良好な線形性を持つ半導体光変調器の製造が困難であるという課題がある。
　そこで、前記課題を解決するため、本発明は、光回折ロスが少なく、導波路電気的分離ができるｎｐｉｎ型の半導体光変調器及びこれを利用する光変調装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る半導体光変調器は、上部のｎ型のクラッド層内に局所的にバリア層と接触するｐ型半導体の領域を形成することとした。
　具体的には、本発明に係る半導体光変調器は、コア層、前記コア層を挟み下部及び上部にそれぞれ配置され、前記コア層よりもバンドギャップの広いｎ型半導体からなり、前記コア層よりも屈折率の低い第１クラッド層及び第２クラッド層、並びに前記第２クラッド層と前記コア層との間に挿入され、電子に対するポテンシャルバリアが形成されるｐ型半導体からなるバリア層を含む積層構造からなり、電気光学効果を有する第１半導体光導波路と、前記第１半導体光導波路と光伝搬方向に接続され、前記第１半導体光導波路の積層構造のうち、前記第２クラッド層がｎ型半導体内で局所的に積層方向に貫通するｐ型半導体を持つ積層構造からなる第２半導体光導波路と、前記第１半導体光導波路の前記第１クラッド層に接続される第１電極と、前記第１半導体光導波路の前記第２クラッド層と前記第２半導体光導波路の前記第２クラッド層のｐ型半導体とを電気的に接続する第２電極と、を備える。
　半導体光変調器は、図１で説明したようなグルーブを形成せず、第２半導体光導波路の第２クラッド層にｐ型半導体を形成したため、光回折ロスを防止できる。また、第２クラッド層のｐ型半導体でｎｐｉｎ形の構成におけるバリア層部分の電位を固定でき、バリア層を介したＤＣバイアスと電気信号の漏れを抑制することができる。従って、本発明は、光回折ロスが少なく、導波路電気的分離ができるｎｐｉｎ型の半導体光変調器及びこれを利用する光変調装置を提供することができる。
　本発明に係る半導体光変調器は、前記第１半導体光導波路及び前記第２半導体光導波路が形成される基板をさらに備え、前記第１半導体光導波路の積層構造及び前記第２半導体光導波路の積層構造は、前記第１クラッド層と前記基板との間にｎ型の電極層、前記第１クラッド層と前記コア層との間に不純物濃度が前記第１クラッド層より低い第１低濃度クラッド層及び前記コア層と前記バリア層との間に不純物濃度が前記バリア層より低い第２低濃度クラッド層をさらに含むことができる。
　コア層を不純物濃度が低い第１低濃度クラッド層及び第２低濃度クラッド層で挟むことにより、第１クラッド層及び第２クラッド層からコア層へ不純物が拡散することを防止できる。
　本発明に係る半導体光変調器の前記第２半導体光導波路の前記第２クラッド層は、光伝搬方向における両端に前記ｐ型半導体を持ち、複数の前記第１半導体光導波路及び複数の前記第２半導体光導波路は、光伝搬方向に交互に接続されてもよい。
　第２半導体光導波路の第２クラッド層は、二ケ所のｐ型半導体の間にｎ型半導体が挟まれた構成になっているので、第２クラッド層の両端に容量の小さなｐｎ接合が生じている。このため、高周波の電気信号が第１半導体光導波路から第２半導体光導波路側へ漏れることを防止できる。
　また、本発明に係る光変調装置は、前記半導体光変調器を一対又は複数の対のアーム導波路として組み合わせたマッハツェンダ干渉計型の光変調装置である。アーム導波路としての一対又は複数の対の位相変調器にそれぞれ異なる電気信号を与え、左右の光信号を合波することで、入力光を強度変調することができる。
　本発明によれば、光回折ロスが少なく、導波路電気的分離ができるｎｐｉｎ型の半導体光変調器及びこれを利用する光変調装置及びこれを利用する光変調装置を提供することができる。
従来のｎｐｉｎ形の半導体光変調器の構造を示した図である。 従来のｎｉｐｎ形の半導体光変調器の構造を示した図である。 従来のｎｐｉｎ形の半導体光変調器の構造を示した図である。 本実施形態の半導体光変調器の構成を示す図である。（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。 本実施形態の光変調装置の概略構成図である。
符号の説明
２１：カソード電極
２２：ｎ型の電極層（ｎ＋－ＩｎＰ）
２３：ｎ型の第１クラッド層（ｎ－ＩｎＰ）、
２４：導波路 
２５：低濃度クラッド層（ｕｄ－ＩｎＰ）、
２６：ｐ型のバリア層（ｐ－ＩｎＰ）、
２７：ｎ型の第２クラッド層（ｎ－ＩｎＰ）、
２８：アノード電極、
２９－１：第２クラッド層２７とｐ型のバリア層２６の一部を凹加工した電気分離溝
２９－２：第２クラッド層の一部をｐ型として電気分離可能としたｐ型領域
２９－３：第２クラッド層をｐ型としても、電気分離とならない場合のｐ型領域
３１：半導体基板（ｉ－ＩｎＰ）
３２：ｎ型の電極層（ｎ＋－ＩｎＰ）
３３：ｎ型の第１クラッド層（ｎ－ＩｎＰ）
３４：電気光学効果が有効に働く、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ多重量子井戸構造を含むコア層
３５：第２低濃度クラッド層（ｕｄ－ＩｎＰ）、
３６：ｐ型のバリア層（ｐ－ＩｎＰ）、
３７：ｎ型の第２クラッド層（ｎ－ＩｎＰ）、
３８：ｐ型半導体（ｐ－ＩｎＰ）、
３９：第１半導体光導波路
４０、４０－１、４０－２：第１半導体光導波路
４１、４１－１、４１－２：第２半導体光導波路
４２、４３、４３－１、４３－２：第２電極
４４：第１電極
４７：積層構造
５１、５１－１、５１－２：半導体光変調器
５２－１～５２－４：電気分離導波路
５３－１、５３－２：マルチモード干渉器
５４－１～５４－４：光入出力導波路
５５－１、５５－３：電気信号の入力端子
５５－２、５５－４：電気信号の出力端子
５６－１～５６－４：バイアス端子
６１：光分岐回路
６２：光合波回路
　添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
（実施の形態１）
　図４は、本実施形態の半導体光変調器の構成を示す図である。図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は正面図、図４（ｃ）は側面図である。なお、以下の説明において、枝番号を付さないときは、枝番号全てに共通する説明である。図４の半導体光変調器は、コア層３４、コア層３４を挟み下部及び上部にそれぞれ配置され、コア層３４よりもバンドギャップの広いｎ型半導体からなり、コア層３４よりも屈折率の低いｎ型の第１クラッド層３３及びｎ型の第２クラッド層３７、並びにｎ型の第２クラッド層３７とコア層３４との間に挿入され、電子に対するポテンシャルバリアが形成されるｐ型半導体からなるｐ型のバリア層３６を含む積層構造４７からなり、電気光学効果を有する第１半導体光導波路３９と、第１半導体光導波路３９と光伝搬方向に接続され、第１半導体光導波路３９の積層構造４７のうち、ｎ型の第２クラッド層３７がｎ型半導体内で局所的に積層方向に貫通するｐ型半導体３８を持つ積層構造４７からなる第２半導体光導波路４１と、第１半導体光導波路３９のｎ型の第１クラッド層３３に接続される第１電極４４と、第１半導体光導波路３９のｎ型の第２クラッド層３７と第２半導体光導波路４１のｎ型の第２クラッド層３７のｐ型半導体３８とを電気的に接続する第２電極４２及び第２電極４３と、を備える。
　図４の半導体光変調器は、第１半導体光導波路３９及び第２半導体光導波路４１が形成される半導体基板３１をさらに備え、第１半導体光導波路３９の積層構造４７及び第２半導体光導波路４１の積層構造４７は、ｎ型の第１クラッド層３３と半導体基板３１との間にｎ型の電極層３２、ｎ型の第１クラッド層３３とコア層３４との間に不純物濃度がｎ型の第１クラッド層３３より低い第１低濃度クラッド層及びコア層３４とｐ型のバリア層３６との間に不純物濃度がｐ型のバリア層３６より低い第２低濃度クラッド層３５をさらに含む。なお、図４では第１低濃度クラッド層を図示していない。
　半導体基板３１は、半絶縁性の半導体であるＩｎＰ基板である。ｎ型の電極層３２は、ｎ型の第１クラッド層３３より不純物濃度が高いｎ型ＩｎＰ半導体の層である。ｎ型の第１クラッド層３３は、ｎ型ＩｎＰ半導体の層である。コア層３４は、ＩｎＧａＡｓ薄膜とＩｎＧａＡｌＡｓ薄膜とで多重量子井戸構造が形成される層である。第２低濃度クラッド層３５は、不純物濃度がｐ型のバリア層３６より低いｐ型のＩｎＰ半導体の層である。ｐ型のバリア層３６は、ｐ型のＩｎＰ半導体の層である。ｎ型の第２クラッド層３７は、ｎ型ＩｎＰ半導体の層である。ｐ型半導体３８は、ｎ型の第２クラッド層３７のｎ型ＩｎＰ半導体の層に局所的に形成されたｐ型のＩｎＰ半導体である。ここで、コア層３４内を光が伝搬できるように、ｎ型の第１クラッド層３３及びｎ型の第２クラッド層３７の屈折率は、コア層３４の屈折率より小さい。また、ｎ型の第１クラッド層３３及びｎ型の第２クラッド層３７のバンドギャップは、コア層３４の井戸層のバンドギャップより広い。
　図４の半導体光変調器の第２半導体光導波路４１のｎ型の第２クラッド層３７は、光伝搬方向における両端にｐ型半導体３８を持ち、第１半導体光導波路４０－１、第１半導体光導波路３９、第１半導体光導波路４０－２、第２半導体光導波路４１－１、第２半導体光導波路４１－２が、光伝搬方向に交互に接続される。
　図４の半導体光変調器は、第１半導体光導波路３９を光変調部として機能するアクティブ導波路としている。また、図４の半導体光変調器は、第２半導体光導波路４１－１及び第２半導体光導波路４１－２を電気信号分離部として機能する接続導波路として第１半導体光導波路３９の両端に配置する。さらに、図４の半導体光変調器は、第１半導体光導波路４０－１及び第１半導体光導波路４０－２をパッシブ導波路として、第２半導体光導波路４１－１及び第２半導体光導波路４１－２の外側に配置する。
　第２電極４２は、第１半導体光導波路３９のｎ型の第２クラッド層３７と第２半導体光導波路４１のｎ型の第２クラッド層３７のｐ型半導体３８との双方に接続する電極である。図４の第２電極４２は、第１半導体光導波路３９に最も近い第２半導体光導波路４１のｎ型の第２クラッド層３７のｐ型半導体３８に接続している。第２電極４３は、第１半導体光導波路４０のｎ型の第２クラッド層３７と第２半導体光導波路４１のｎ型の第２クラッド層３７のｐ型半導体３８との双方に接続する電極である。図４の第２電極４３は、第１半導体光導波路４０に最も近い第２半導体光導波路４１のｎ型の第２クラッド層３７のｐ型半導体３８に接続している。第１電極４４は、ｎ型の電極層３２に接続する電極である。
　図４の半導体光変調器を製作するには、半導体基板３１上にｎ型の電極層３２をエピタキシャル成長させ、その上に積層構造４７に含まれる各半導体層をエピタキシャル成長させる。その後、ｐ型半導体３８に相当する部分をイオン注入や選択的なエピタキシャル再成長などの手法により形成する。次に、積層構造４７に含まれる各半導体層を一部残してエッチングし、メサ形の導波路を形成する。さらに、所定の位置に第２電極４２、第２電極４３及び第１電極４４を形成する。また、メサ表面の保護のため、必要に応じてパッシベーション膜を堆積してもよい。なお、第１半導体光導波路及び第２半導体光導波路は、本発明を説明するための名前である。第１半導体光導波路と第２半導体光導波路とは機械的に接続せず、上述のように各半導体層を同一基板上に同時に形成するため、第１半導体光導波路と第２半導体光導波路との間に接続面はない。
　図４の半導体光変調器を動作させるには、まず、所定のＤＣバイアスを加える必要がある。第１電極４４に対して、第２電極４２に負のＤＣバイアスＶｂｉａｓ‐Ａを印加すると、コア層３４、第２低濃度クラッド層３５及びｐ型のバリア層３６の一部又はすべてが空乏化し、コア層３４に電圧が誘起される正常な動作状態となる。ここで、ｐ型のバリア層３６の一部が中性化しているか、完全に空乏化しているかにかかわらず電子に対するポテンシャルバリアが形成されるので、ｎ型の第２クラッド層３７からの電子の注入は、ほぼ抑制される。ここで、パッシブ導波路として機能する第１半導体光導波路４０－１及び第１半導体光導波路４０－２は、それぞれ第２電極４３－１及び第２電極４３－２により、ＤＣバイアスＶｂｉａｓ－Ｐ１及びＤＣバイアスＶｂｉａｓ－Ｐ２が印加される。
　第２電極４２は、第１半導体光導波路３９のｎ型の第２クラッド層３７と第２半導体光導波路４１のｎ型の第２クラッド層３７のｐ型半導体３８とを同電位とする。第２電極４２はｐ型半導体３８を通じてｐ型のバリア層３６に第１半導体光導波路３９のｎ型の第２クラッド層３７と同じ電位を与える作用がある。ｐ型のバリア層３６が空乏化している場合には前記作用はない。しかし、ｐ型のバリア層３６の一部にホールが残留して中性化している場合には、前記作用でｐ型のバリア層３６を固定電位として、フローティング状態の不安定性を抑える。一定の光強度のＤＣ光は、例えば、第１半導体光導波路４０－１の側から入射される。第１半導体光導波路３９のコア層３４の屈折率は、第２電極４２に入力される電気信号で変化し、入射されたＤＣ光は第１半導体光導波路３９で変調され、第１半導体光導波路４０－２の側から光変調信号として出射される。
　本構造は、第２半導体光導波路４１が、第１半導体光導波路３９のｎ型の第２クラッド層３７と第１半導体光導波路４０のｎ型の第２クラッド層３７を、完全に分離するものではない。ｐ型のバリア層３６にホールが残留する状態では、第１半導体光導波路３９のｎ型の第２クラッド層３７と第１半導体光導波路４０のｎ型の第２クラッド層３７との間に導通が発生する。以下、この導通による電流を「ＤＣもれ電流」と記載する。しかしながら、ｐ型のバリア層３６の抵抗は十分に高いゆえ、第２電極４２と、第２電極４３の間に電圧差があっても、実質的には、前記電圧差によるＤＣもれ電流は変調動作に影響のない範囲に抑えることが可能である。また、第２半導体光導波路４１のｎ型の第２クラッド層３７部分における光伝搬方向のカップリングは、ｐ型半導体３８と他のｎ型の半導体部分とのｐｎ接合により切断される。
　ｐ型のバリア層３６の抵抗について例をあげて説明する。ｐ型のバリア層３６の、ホールが残留する層の厚さを２００オングストローム、ホール密度１×１０１８／ｃｍ３とした場合、ｐ型のバリア層３６のシート抵抗は約３ＭΩと計算され、もし、高抵抗線路の長さが５０μｍであれば、抵抗値は１００ＭΩ程度と見積もることができる。ＤＣバイアスＶｂｉａｓ－ＡとＤＣバイアスＶｂｉａｓ－Ｐ１又はＤＣバイアスＶｂｉａｓ－Ｐ２との間に、１０Ｖの電位差があっても、ＤＣもれ電流は０．１μＡと小さい。従って、ＤＣバイアスＶｂｉａｓ－Ｐ１及びＤＣバイアスＶｂｉａｓ－Ｐ２が、ＤＣバイアスＶｂｉａｓ－Ａと同じ値であっても異なる値であっても、ＤＣバイアスＶｂｉａｓ－Ｐ１及びＤＣバイアスＶｂｉａｓ－Ｐ２を調整することによって、入力する光信号に一定の位相変化を与えることができる。
　第２半導体光導波路４１のｎ型の第２クラッド層３７は、二ケ所のｐ型半導体３８の間にｎ型半導体が挟まれた構成になっているので、ｎ型の第２クラッド層３７の両端に容量の小さなｐｎ接合が生じることになる。このため、高周波の電気信号が第２電極４２から第２半導体光導波路４１側へ漏れることを防止できる。また、第２半導体光導波路４１のｐ型のバリア層３６にホールが残留している状態であっても同様である。これは、第２半導体光導波路４１の二ケ所のｐ型半導体３８の間に挟まれたｎ型半導体の部分は、高周波の電気信号にとって電気抵抗が十分に高い高抵抗線路であり、高周波の電気信号の伝搬は第２半導体光導波路４１のｎ型半導体の部分に留まるからである。１ｋＨｚ程度以上の周波数域では高周波の電気信号の減衰が大きくなり、信号の伝搬距離が第２半導体光導波路４１の長さよりも短くなる。また、第２半導体光導波路４１は、第１半導体光導波路３９に対する寄生線路であるが、高抵抗線路であるがゆえ、接続ノードからみた反射は常に高く、光変調動作に支障をきたすことはない。
　以上説明したように、図４の半導体光変調器は、接続導波路として機能する第２半導体光導波路を備えた構造により、ｎｐｉｎ形の構成におけるバリア層部分の電位を固定でき、バリア層を介したＤＣバイアスと電気信号の漏れを抑制することができる。さらに、ｐ型のバリア層が空乏化した、高バイアス状態でも変調動作への影響が少なく、正常動作可能なＤＣバイアスは従来よりも広い範囲とすることができる。
　また、本実施形態の素子構造は、半導体光導波路を形成する接合メサの表面状態の変化に伴う暗電流の変化にも影響されず、長期信頼性に優れた半導体光変調器とすることができる。
　なお、本実施形態においては、ＩｎＰクラッド層とＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸コア層を半導体材料として用いた例を説明したが、ＩｎＧａＡｌＡｓをＩｎＧａＡｓＰに置き換えた構成、ＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｌＡｓを組み合わせた構成も基本的に可能であり、半導体材料の種類を制限するものではない。
（実施の形態２）
　図５は、本実施形態の光変調装置の概略構成図である。図５の光変調装置は、実施の形態１で説明した半導体光変調器をアーム導波路とするマッハツェンダ干渉計型の光変調装置である。図５の光変調装置は、半導体光変調器５１と、光分岐回路６１と、光合波回路６２と、を備える。
　半導体光変調器５１は、実施の形態１で説明した半導体光変調器である。半導体光変調器５１－１は、変調するための電気信号をアクティブ導波路である第１半導体光導波路に入力する電気信号の入力端子５５－１及び前記電気信号の終端のための電気信号の出力端子５５－２を持つ。半導体光変調器５１－２も、同様の電気信号の入力端子５５－３及び電気信号の出力端子５５－４を持つ。また、半導体光変調器５１－１は、パッシブ導波路である第１半導体光導波路にＤＣバイアスを印加するバイアス端子５６－１及びバイアス端子５６－２を持つ。半導体光変調器５１－２も、同様のバイアス端子５６－３及びバイアス端子５６－４を持つ。
　光分岐回路６１は、光入力導波路５４－１、光入力導波路５４－２、マルチモード干渉器５３－１、電気分離導波路５２－１及び電気分離導波路５２－２を含む。光入力導波路５４－１及び光入力導波路５４－２は、一定の光強度のＤＣ光が入射される光導波路である。マルチモード干渉器５３－１は、入力されたＤＣ光を２つに分岐して電気分離導波路５２－１及び電気分離導波路５２－２に出力する。
　光合波回路６２は、光出力導波路５４－３、光出力導波路５４－４、マルチモード干渉器５３－２、電気分離導波路５２－３及び電気分離導波路５２－４を含む。マルチモード干渉器５３－２は、半導体光変調器５１－１及び半導体光変調器５１－２で変調された信号光が電気分離導波路５２－３及び電気分離導波路５２－４を介して入力され、入力された光を合波して光出力導波路５４－３及び光出力導波路５４－４に出力する。
　図５の光変調装置を動作させるには、光入力導波路５４－１または光入力導波路５４－２からＤＣ光を導入し、マルチモード干渉器５３－１、マルチモード干渉器５３－２、バイアス端子５６－１からバイアス端子５６－４に、適宜ＤＣバイアスを加え、入力端子５５－１と入力端子５５－３から変調信号を与える。マルチモード干渉器５３－１で分岐されたＤＣ光は二本の半導体光導波路に導かれ、実施の形態１で説明したように、それぞれ入力される電気信号で位相変調される。それぞれの位相変調された光はマルチモード干渉器５３－２での光合波で強度変調され、光入出力導波路５４－３及び光入出力導波路５４－４から出力される。
　実施の形態１の光半導体変調器を利用することにより光損失の少ないＭＺ光変調装置を構成することができた。
　本実施例では、単一の強度変調装置としたが、この強度変調装置を多段に接続することにより、クロスコネクト形の光スイッチを構成することもできる。また、この強度変調装置と実施の形態１で説明した位相変調器とを組み合わせ、強度位相変調器などのより機能の高い変調装置を構成できる。

Claims (4)

  1. 　コア層、前記コア層を挟み下部及び上部にそれぞれ配置され、前記コア層よりもバンドギャップの広いｎ型半導体からなり、前記コア層よりも屈折率の低い第１クラッド層及び第２クラッド層、並びに前記第２クラッド層と前記コア層との間に挿入され、電子に対するポテンシャルバリアが形成されるｐ型半導体からなるバリア層を含む積層構造からなり、電気光学効果を有する第１半導体光導波路と、
    　前記第１半導体光導波路と光伝搬方向に接続され、前記第１半導体光導波路の積層構造のうち、前記第２クラッド層がｎ型半導体内で局所的に積層方向に貫通するｐ型半導体を持つ積層構造からなる第２半導体光導波路と、
    　前記第１半導体光導波路の前記第１クラッド層に接続される第１電極と、
    　前記第１半導体光導波路の前記第２クラッド層と前記第２半導体光導波路の前記第２クラッド層のｐ型半導体とを電気的に接続する第２電極と、
    を備える半導体光変調器。
  2. 　前記第１半導体光導波路及び前記第２半導体光導波路が形成される基板をさらに備え、
    　前記第１半導体光導波路の積層構造及び前記第２半導体光導波路の積層構造は、前記第１クラッド層と前記基板との間にｎ型の電極層、前記第１クラッド層と前記コア層との間に不純物濃度が前記第１クラッド層より低い第１低濃度クラッド層及び前記コア層と前記バリア層との間に不純物濃度が前記バリア層より低い第２低濃度クラッド層をさらに含むことを特徴する請求項１に記載の半導体光変調器。
  3. 　前記第２半導体光導波路の前記第２クラッド層は、光伝搬方向における両端に前記ｐ型半導体を持ち、
    　複数の前記第１半導体光導波路及び複数の前記第２半導体光導波路は、光伝搬方向に交互に接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光変調器。
  4. 　請求項１から３に記載のいずれかの半導体光変調器を一対又は複数の対のアーム導波路として組み合わせたマッハツェンダ干渉計型の光変調装置。
PCT/JP2008/073724 2008-01-10 2008-12-26 半導体光変調器及び光変調装置 Ceased WO2009087927A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN200880124499.XA CN101910913B (zh) 2008-01-10 2008-12-26 半导体光调制器和光调制装置
EP08869482.3A EP2230549B1 (en) 2008-01-10 2008-12-26 Semiconductor light modulator and light modulating device
US12/811,565 US8401344B2 (en) 2008-01-10 2008-12-26 Semiconductor optical modulator and optical modulating apparatus

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008-003201 2008-01-10
JP2008003201A JP5265929B2 (ja) 2008-01-10 2008-01-10 半導体光変調器及び光変調装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009087927A1 true WO2009087927A1 (ja) 2009-07-16

Family

ID=40853049

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2008/073724 Ceased WO2009087927A1 (ja) 2008-01-10 2008-12-26 半導体光変調器及び光変調装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8401344B2 (ja)
EP (1) EP2230549B1 (ja)
JP (1) JP5265929B2 (ja)
CN (1) CN101910913B (ja)
WO (1) WO2009087927A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113454522A (zh) * 2019-02-07 2021-09-28 思敏光子控股有限责任公司 用于电光集成磷化铟基相位调制器的改进构建块

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4870518B2 (ja) * 2006-10-24 2012-02-08 Ｎｔｔエレクトロニクス株式会社 半導体光変調器
JP5144608B2 (ja) * 2009-08-11 2013-02-13 日本電信電話株式会社 光変調器
JP5705786B2 (ja) * 2012-05-24 2015-04-22 日本電信電話株式会社 半導体光位相変調器
US8525264B1 (en) * 2012-07-30 2013-09-03 International Busines Machines Corporation Photonic modulator with a semiconductor contact
US9304335B2 (en) 2014-07-16 2016-04-05 Globalfoundries Inc. Integrated LDMOS devices for silicon photonics
US11054674B2 (en) * 2018-10-24 2021-07-06 Rockley Photonics Limited PN-junction phase modulator in a large silicon waveguide platform
CA2988051C (en) * 2015-06-02 2020-02-18 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Semiconductor optical modulation element
EP3696583B1 (en) * 2019-02-15 2022-03-16 EFFECT Photonics B.V. Photonic integrated circuit having improved electrical isolation between n-type contacts
WO2021013960A1 (en) * 2019-07-24 2021-01-28 Rockley Photonics Limited Electro-optic modulator
JP7632101B2 (ja) * 2021-06-11 2025-02-19 住友電気工業株式会社 光変調器及び光変調器の製造方法
CN119013978A (zh) * 2022-04-13 2024-11-22 Oppo广东移动通信有限公司 视频编码的跨分量模型调整

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005099387A (ja) 2003-09-24 2005-04-14 Ntt Electornics Corp 半導体光電子導波路
JP2005114868A (ja) * 2003-10-03 2005-04-28 Ntt Electornics Corp 半導体光変調導波路
JP2005116644A (ja) 2003-10-03 2005-04-28 Ntt Electornics Corp 半導体光電子導波路
WO2006095776A1 (ja) * 2005-03-08 2006-09-14 Nippon Telegraph And Telephone Corporation 半導体光変調器
JP2006251088A (ja) * 2005-03-08 2006-09-21 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体光変調器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7599595B2 (en) 2003-10-03 2009-10-06 Ntt Electronics Corporation Semiconductor optoelectronic waveguide
FR2868171B1 (fr) * 2004-03-29 2006-09-15 Univ Paris Sud Modulateur optoelectronique haute frequence integre sur silicium
JP4977377B2 (ja) * 2006-02-22 2012-07-18 日本オプネクスト株式会社 半導体発光装置
JP2008010484A (ja) * 2006-06-27 2008-01-17 Opnext Japan Inc 半導体光素子及び光送信モジュール
WO2008111342A1 (ja) * 2007-03-09 2008-09-18 Nec Corporation 半導体光変調器
WO2010137458A1 (ja) * 2009-05-27 2010-12-02 日本電気株式会社 半導体光変調器および半導体マッハツェンダー型光変調器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005099387A (ja) 2003-09-24 2005-04-14 Ntt Electornics Corp 半導体光電子導波路
JP2005114868A (ja) * 2003-10-03 2005-04-28 Ntt Electornics Corp 半導体光変調導波路
JP2005116644A (ja) 2003-10-03 2005-04-28 Ntt Electornics Corp 半導体光電子導波路
WO2006095776A1 (ja) * 2005-03-08 2006-09-14 Nippon Telegraph And Telephone Corporation 半導体光変調器
JP2006251088A (ja) * 2005-03-08 2006-09-21 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体光変調器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2230549A4 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113454522A (zh) * 2019-02-07 2021-09-28 思敏光子控股有限责任公司 用于电光集成磷化铟基相位调制器的改进构建块
US11992694B2 (en) 2019-02-07 2024-05-28 SMART Photonics Holding B.V. Building block for electro-optical integrated indium-phosphide based phase modulator
US12292625B2 (en) 2019-02-07 2025-05-06 SMART Photonics Holding B.V. Building block for electro-optical integrated indium-phosphide based phase modulator

Also Published As

Publication number Publication date
EP2230549A4 (en) 2012-01-04
CN101910913B (zh) 2014-12-03
JP2009163186A (ja) 2009-07-23
EP2230549A1 (en) 2010-09-22
CN101910913A (zh) 2010-12-08
EP2230549B1 (en) 2015-08-12
JP5265929B2 (ja) 2013-08-14
US8401344B2 (en) 2013-03-19
US20100296769A1 (en) 2010-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5265929B2 (ja) 半導体光変調器及び光変調装置
TWI638464B (zh) 半導體光調變元件
KR101045758B1 (ko) 반도체 광변조기
EP2317371B1 (en) Semiconductor optical modulator
JP2867995B2 (ja) 半導体マハツェンダ変調器とその製造方法
US8300991B2 (en) Waveguide-type semiconductor optical modulator and method for manufacturing the same
JP3839710B2 (ja) 半導体光変調器、マッハツェンダ型光変調器、及び光変調器一体型半導体レーザ
JP2019079993A (ja) 半導体光素子
US8498501B2 (en) Semiconductor optical modulator and semiconductor mach-zehnder optical modulator
CN100430780C (zh) 半导体光电子波导通路
JP6531525B2 (ja) 光変調器および光変調器の製造方法
WO2013042757A1 (ja) 光導波路及び光導波路の特性制御方法
JP4283079B2 (ja) 半導体光電子導波路
JPH07325328A (ja) 半導体光変調器
JP2007304472A (ja) 半導体光変調器

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200880124499.X

Country of ref document: CN

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

Ref document number: 08869482

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12811565

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008869482

Country of ref document: EP