Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7569294B2 - Semiconductor optical modulator - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7569294B2 - Semiconductor optical modulator - Google Patents

Semiconductor optical modulator Download PDF

Info

Publication number
JP7569294B2
JP7569294B2 JP2021142453A JP2021142453A JP7569294B2 JP 7569294 B2 JP7569294 B2 JP 7569294B2 JP 2021142453 A JP2021142453 A JP 2021142453A JP 2021142453 A JP2021142453 A JP 2021142453A JP 7569294 B2 JP7569294 B2 JP 7569294B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
type cladding
cladding layer
doped
modulation element
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.)
Active
Application number
JP2021142453A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2023035532A (en
Inventor
義弘 小木曽
学 満原
光映 石川
陽太郎 神宝
伸浩 布谷
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 Inc
NTT Inc USA
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc USA
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 Nippon Telegraph and Telephone Corp, NTT Inc USA filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2021142453A priority Critical patent/JP7569294B2/en
Publication of JP2023035532A publication Critical patent/JP2023035532A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7569294B2 publication Critical patent/JP7569294B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、光通信システムに適用される高速の光変調器として機能する半導体光変調素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor optical modulation element that functions as a high-speed optical modulator applied to optical communication systems.

光通信容量の増大に伴い、光通信システムに用いられる光デバイスの小型・低消費電力化が求められている。マッハ・ツェンダ型(MZ)光変調器は、光通信システムにおける重要なデバイスとして挙げられ、多くの研究開発が進められてきた。近年、さらなる小型・低消費電力化を実現すべく、ニオブ酸リチウム(LN)を材料とする光変調器から、InPをはじめとする化合物半導体材料の光変調器が注目を集めている。 As optical communication capacity increases, there is a demand for smaller, less power-consuming optical devices used in optical communication systems. Mach-Zehnder (MZ) optical modulators are considered an important device in optical communication systems, and much research and development has been conducted on them. In recent years, in order to achieve even smaller size and lower power consumption, attention has shifted from optical modulators made of lithium niobate (LN) to optical modulators made of compound semiconductor materials such as InP.

化合物半導体光変調器を動作させるため、光を閉じ込めるコア層をノンドープ層として、p型及びn型のクラッド層で挟み、逆バイアス電圧を印加させることにより、光と電気の強い相互作用を利用する。p型半導体は、n型半導体に比べて材料の電気抵抗率及び光学吸収率がおよそ一桁以上高いため、変調動作の高速化、低光損失化に大きな課題を有している。加えて、p型半導体と電極との接触面積が小さいと、コンタクト抵抗の増大により帯域劣化を招くという課題があった。 To operate a compound semiconductor optical modulator, the core layer that confines the light is sandwiched between p-type and n-type cladding layers as a non-doped layer, and a reverse bias voltage is applied to utilize the strong interaction between light and electricity. Compared to n-type semiconductors, p-type semiconductors have a material electrical resistivity and optical absorption rate that are about an order of magnitude higher, making it a major challenge to increase the speed of modulation operation and reduce optical loss. In addition, if the contact area between the p-type semiconductor and the electrode is small, there is the issue of increased contact resistance leading to bandwidth degradation.

そこで、化合物半導体光変調器の素子構造として、n-p-i-n構造、またはn-i-p-n構造(例えば、特許文献1参照)が提案されてきた。p型半導体のドーピング層を、n型半導体のドーピング層に置き換えることにより、広帯域特性と低駆動電圧特性の両立を図っている。 As a result, the n-p-i-n structure or n-i-p-n structure (see, for example, Patent Document 1) has been proposed as the device structure of a compound semiconductor optical modulator. By replacing the p-type semiconductor doping layer with an n-type semiconductor doping layer, it is possible to achieve both wideband characteristics and low driving voltage characteristics.

特許第6458143号公報Patent No. 6458143 特開2018-6590号公報JP 2018-6590 A

Y. Ogiso et al., “80-GHz Bandwidth and 1.5-V Vπ InP-Based IQ Modulator”, Journal of Lightwave Technology Volume: 38, Issue: 2, Jan.15, 15 2020.Y. Ogiso et al., “80-GHz Bandwidth and 1.5-V Vπ InP-Based IQ Modulator”, Journal of Lightwave Technology Volume: 38, Issue: 2, Jan.15, 15 2020.

上述したn-i-p-n構造など、クラッドの大部分をnドーピング層で構成した場合においても、逆バイアス電圧印加時に耐圧(電流ブロック)が確保されるように、僅かながらpドーピング層を挿入する必要がある。pドーピング層に用いるドーパントは、InP基板上に積層された半導体デバイスの場合、Zn、Be、Cなどが用いられている。特に、量産製造に適したMOVPE法による結晶成長においては、その殆どがZnをドーパントに用いている。しかしながら、Znドーパントは、拡散係数が非常に大きいことでも知られており、レーザダイオード、光変調器などのデバイス設計において、如何にZn拡散を抑制するかが重要な課題としても挙げられている(例えば、特許文献2参照)。 Even when most of the cladding is made of n-doped layers, such as in the n-i-p-n structure described above, it is necessary to insert a small p-doped layer to ensure voltage resistance (current blocking) when a reverse bias voltage is applied. In the case of semiconductor devices stacked on an InP substrate, Zn, Be, C, etc. are used as dopants for the p-doped layer. In particular, in crystal growth using the MOVPE method, which is suitable for mass production, Zn is almost always used as the dopant. However, Zn dopants are known to have a very large diffusion coefficient, and how to suppress Zn diffusion is also cited as an important issue in device design such as laser diodes and optical modulators (see, for example, Patent Document 2).

図1に、従来のn-i-p-n構造の光変調器における電圧印加時のバンドダイヤグラムを示し、図2に、電界強度分布を示す。それぞれ印加電圧を変えたときの、ハンド端エネルギーと電界強度の変化を示す模式図である。光変調器においては、図1に示すように、MQW(多重量子井戸)領域を含むノンドープ層にZnが拡散することにより、逆バイアス電圧印加時にノンドープ層内の一部でホール濃度が上昇し、MQW領域で電界降下が生じない現象が起こる。すなわち、図2に示すように、ノンドープ層のP層側の電界強度が弱くなってしまう。MQW領域は、バイアス電圧を高めることで徐々に空乏化していくが、所望の空乏層厚を得るためのバイアス電圧は、Zn拡散が無い場合と比べて高くなってしまう。 Figure 1 shows a band diagram when a voltage is applied in a conventional n-i-p-n optical modulator, and Figure 2 shows the electric field distribution. These are schematic diagrams showing the change in hand end energy and electric field strength when the applied voltage is changed. In an optical modulator, as shown in Figure 1, Zn is diffused into a non-doped layer including an MQW (multiple quantum well) region, and when a reverse bias voltage is applied, the hole concentration increases in a part of the non-doped layer, and no electric field drop occurs in the MQW region. In other words, as shown in Figure 2, the electric field strength on the P layer side of the non-doped layer becomes weak. The MQW region is gradually depleted by increasing the bias voltage, but the bias voltage required to obtain the desired depletion layer thickness is higher than in the case without Zn diffusion.

ここで問題となるのは、MQW領域で電圧降下が起こらない分、基板側のノンドープ領域で大きな電界降下を起こしている点である。InPからなる光変調器は、高い電気光学変調作用を得るために、MQW構造による量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)などを用いている。QCSE効果は、電界強度に応じて材料屈折率変化の他、光吸収特性も変化する。すなわち、高周波特性を担保させるために必要な空乏層厚を得る電圧値は、Zn拡散によって高くなる一方で、Zn拡散が及んでいない領域では想定以上に電界が印加されることになる。従って、Zn拡散が及んでいない領域にMQW構造があった場合には、想定以上に光吸収が増大してしまう。 The problem here is that while no voltage drop occurs in the MQW region, a large electric field drop occurs in the non-doped region on the substrate side. In order to obtain high electro-optical modulation, optical modulators made of InP use the quantum confined Stark effect (QCSE) with an MQW structure. The QCSE effect changes the material refractive index and light absorption characteristics according to the electric field strength. In other words, the voltage value required to obtain the depletion layer thickness required to ensure high frequency characteristics is increased by Zn diffusion, while a higher electric field is applied than expected in areas not affected by Zn diffusion. Therefore, if an MQW structure is present in an area not affected by Zn diffusion, light absorption will increase more than expected.

これは、高周波特性と光学特性の両立を妨げる問題であり、ノンドープ層へのZn拡散を抑制しなければシグナル対雑音(SN)比の観点から、光変調器の実システムへの導入が困難になる。なお、MQW構造を、積層構造中の相対的な高さをノンドープ層の中でp層側にシフトさせることにより、より高い電界強度をMQW領域に印加させることを回避することもできる。しかしながら、MQW領域をp層側に近づけたことによる光学吸収が増大するため、却ってデバイス特性を劣化させてしまう。 This is a problem that prevents both high frequency characteristics and optical characteristics from being achieved at the same time, and unless Zn diffusion into the non-doped layer is suppressed, it becomes difficult to introduce the optical modulator into a practical system from the viewpoint of signal-to-noise (SN) ratio. It is also possible to avoid applying a higher electric field strength to the MQW region by shifting the relative height of the MQW structure in the stacked structure toward the p-layer side of the non-doped layer. However, moving the MQW region closer to the p-layer side increases optical absorption, which ends up degrading the device characteristics instead.

Zn拡散を抑制する方法としては、例えばInGaAsPなど固溶限界濃度の高い材料を挿入するなどの手法が採られてきた。1E+16cm-3以下の濃度までZn拡散を抑制しようとする場合には、pドーピング層の濃度が高い場合などは、この方法だけでは不十分な場合がある。 As a method for suppressing Zn diffusion, a method such as inserting a material with a high solid solubility limit concentration, such as InGaAsP, has been adopted. When trying to suppress Zn diffusion to a concentration of 1E+16 cm -3 or less, this method alone may not be sufficient when the concentration of the p-doped layer is high.

本発明の目的は、Zn拡散が抑制された層構造を有し、高速光変調動作が可能な半導体光変調素子を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a semiconductor optical modulation element that has a layer structure in which Zn diffusion is suppressed and is capable of high-speed optical modulation operation.

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、光導波路に導波する光の屈折率を変調する屈折率変調領域を有する半導体光変調素子であって、半導体結晶基板10の(100)面と等価な基板面上に、上層から基板面に向かって、第1のn型クラッド層、ノンドープクラッド・コア層、第2のn型クラッド層、p型クラッド層、および第3のn型クラッド層が積層されていることを特徴とする。 To achieve this object, one embodiment of the present invention is a semiconductor optical modulation element having a refractive index modulation region that modulates the refractive index of light guided to an optical waveguide, characterized in that a first n-type clad layer, a non-doped clad core layer, a second n-type clad layer, a p-type clad layer, and a third n-type clad layer are stacked from the top toward the substrate surface on a substrate surface equivalent to the (100) surface of a semiconductor crystal substrate 10.

本発明によれば、p型クラッド層の挿入により、Zn拡散を抑制し、逆バイアス電圧印加時のノンドープ層全体の効率的な空乏化と、光吸収を抑制した位相変調作用の両立によって高速光変調動作を実現することができる。 According to the present invention, by inserting a p-type cladding layer, Zn diffusion is suppressed, and high-speed optical modulation operation can be achieved by efficiently depleting the entire non-doped layer when a reverse bias voltage is applied, and by achieving a phase modulation effect that suppresses optical absorption.

従来のn-i-p-n構造の光変調器における電圧印加時のバンドダイヤグラムを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a band diagram when a voltage is applied to a conventional optical modulator with an nipn structure. 従来のn-i-p-n構造の光変調器における電圧印加時の電界強度分布を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the electric field intensity distribution when a voltage is applied in a conventional optical modulator with an nipn structure. 本発明の一実施形態にかかる半導体光変調素子の層構造を示す図である。1 is a diagram showing a layer structure of a semiconductor optical modulation element according to one embodiment of the present invention; 本実施形態の半導体光変調素子における電圧印加時のバンドダイヤグラムを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a band diagram when a voltage is applied to the semiconductor optical modulation element of the present embodiment. 本実施形態の半導体光変調素子における電圧印加時の電界強度分布を示す図である。4 is a diagram showing an electric field intensity distribution when a voltage is applied in the semiconductor optical modulation element of the present embodiment. FIG. 本発明の一実施形態にかかる半導体光変調素子を示す平面図である。1 is a plan view showing a semiconductor optical modulation element according to one embodiment of the present invention; 本実施形態の半導体光変調素子の屈折率変調領域(A-A’)の断面図である。A cross-sectional view of the refractive index modulation region (A-A') of the semiconductor optical modulation element of this embodiment. 本実施形態の半導体光変調素子の入出力領域(B-B’)の断面図である。A cross-sectional view of the input/output region (B-B') of the semiconductor optical modulation element of this embodiment.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。Zn拡散が抑制される場合として、pn接合間では内部電界によって、Znがp層側からn層側にほとんど拡散しないことが知られている。そのため、高濃度のp層とn層とを積層することにより、リーク電流を遮断させるpn埋め込み型レーザダイオードが知られている。そこで、この原理を応用して、新たにn-i-n-p-n型ヘテロ構造を有する半導体光変調素子を提供する。この構造は、所謂npnサイリスタ構造を、変調領域の一部に組み込んだ構成となる。 The following describes in detail an embodiment of the present invention with reference to the drawings. It is known that Zn diffusion is suppressed when Zn hardly diffuses from the p-layer side to the n-layer side between pn junctions due to an internal electric field. For this reason, a pn-buried type laser diode is known in which high-concentration p-layers and n-layers are stacked to block leakage current. This principle is then applied to provide a new semiconductor optical modulation element having an n-i-n-p-n type heterostructure. This structure incorporates a so-called npn thyristor structure into part of the modulation region.

従来、InPからなる半導体光素子は、キャリアの再結合などを利用したアクティブ素子など、フォトキャリアなどを含むキャリアの振る舞いを活用する素子がほとんどである。従って、電界印加領域にキャリアがトラップされる恐れのあるヘテロ接合、またはpn接合を含む構造は、レーザダイオード、電界吸収型光変調器などのキャリア注入またはフォトキャリアの生成を取り扱う素子にのみ採用されていた。 Conventionally, most semiconductor optical elements made of InP are active elements that utilize carrier recombination, and take advantage of the behavior of carriers, including photocarriers. Therefore, structures that include heterojunctions or pn junctions that may trap carriers in the electric field application region have only been used in elements that handle carrier injection or photocarrier generation, such as laser diodes and electroabsorption optical modulators.

一方、光吸収が非常に少ない領域で、かつMQW領域付近の電界強度の振る舞いのみに注目すればよい位相変調器においては、pn接合の性質を最大限に活かすことができる。すなわち、キャリアブロックによる電界印加作用の他、Zn拡散ブロック層としても機能させることができる。これにより、ノンドープ層へのp型ドーパントの拡散を抑制し、ノンドープ層に均一な電界を印加させることができる。結果として、逆バイアス電圧印加時のノンドープ層全体の効率的な空乏化と、光吸収を抑制した位相変調作用の両立によって高速光変調動作を実現することができる。 On the other hand, in a phase modulator where light absorption is very low and attention needs only to be paid to the behavior of the electric field strength near the MQW region, the properties of the pn junction can be fully utilized. That is, in addition to the electric field application action by carrier blocking, it can also function as a Zn diffusion blocking layer. This makes it possible to suppress the diffusion of p-type dopants into the non-doped layer and apply a uniform electric field to the non-doped layer. As a result, it is possible to achieve both efficient depletion of the entire non-doped layer when a reverse bias voltage is applied and phase modulation action with suppressed light absorption, thereby realizing high-speed optical modulation operation.

図3に、本発明の一実施形態にかかる半導体光変調素子の層構造を示す。本実施形態の半導体光変調素子は、n-i-n-p-n型ヘテロ構造を有し、半導体結晶基板10上に積層されている。上層から順に第1のn型クラッド層16、ノンドープクラッド・コア層15、第2のn型クラッド層14、p型クラッド層13、第3のn型クラッド層12、第2のn型コンタクト層11、である。ノンドープクラッド・コア層15は、ノンドープクラッド層51,53に挿入されたMQW領域となるノンドープコア層52からなる。なお、第2のn型コンタクト層11と第3のn型クラッド層12の積層順は、本実施形態の有用性に影響を与えない。 Figure 3 shows the layer structure of a semiconductor optical modulation element according to one embodiment of the present invention. The semiconductor optical modulation element of this embodiment has an n-i-n-p-n type heterostructure and is stacked on a semiconductor crystal substrate 10. From the top, the layers are a first n-type cladding layer 16, a non-doped cladding core layer 15, a second n-type cladding layer 14, a p-type cladding layer 13, a third n-type cladding layer 12, and a second n-type contact layer 11. The non-doped cladding core layer 15 is made of a non-doped core layer 52 that becomes an MQW region inserted into the non-doped cladding layers 51 and 53. The stacking order of the second n-type contact layer 11 and the third n-type cladding layer 12 does not affect the usefulness of this embodiment.

ノンドープコア層52の積層構造中の相対的な中心位置は、ノンドープクラッド・コア層15全体の中心位置よりも、第1のn型クラッド層16側にシフトさせている。以下に説明するように、本実施形態の層構造によれば、MQW領域となるノンドープコア層52に高い電界が印加されることはないので、MQW領域をp型クラッド層13とは反対側にシフトさせることにより、光学吸収を抑制することができる。 The relative center position of the non-doped core layer 52 in the laminate structure is shifted toward the first n-type clad layer 16 from the center position of the entire non-doped clad-core layer 15. As described below, according to the layer structure of this embodiment, a high electric field is not applied to the non-doped core layer 52, which becomes the MQW region, so optical absorption can be suppressed by shifting the MQW region to the opposite side from the p-type clad layer 13.

図4に、本実施形態の半導体光変調素子における電圧印加時のバンドダイヤグラムを示し、図5に、電界強度分布を示す。それぞれ印加電圧を変えたときの、ハンド端エネルギーと電界強度の変化を示す模式図である。図5に示すように、無バイアス(0V印加)時は、MQW領域からなるノンドープコア層52に、ビルトイン電圧が印加されない。すなわち、不要な電界が導波路コアに印加されるのを抑制することにより、MQWにおけるバンド端光吸収の影響を最小限に抑えることができる。従って、半導体光変調素子における光伝搬損失を低減することができる。 Figure 4 shows a band diagram when a voltage is applied in the semiconductor optical modulation element of this embodiment, and Figure 5 shows the electric field intensity distribution. Each is a schematic diagram showing the change in hand end energy and electric field intensity when the applied voltage is changed. As shown in Figure 5, when there is no bias (0 V applied), no built-in voltage is applied to the non-doped core layer 52 consisting of the MQW region. In other words, by suppressing the application of unnecessary electric fields to the waveguide core, the effect of band edge optical absorption in the MQW can be minimized. Therefore, the optical propagation loss in the semiconductor optical modulation element can be reduced.

Znの拡散が抑制され、ノンドープクラッド・コア層15中の濃度上昇が抑えられることにより、図5に示すように、逆バイアス電圧印加時にあっては、ノンドープクラッド・コア層15により均一な電界が印加される。これにより、MQW領域に集中的に高い電界が印加されることはなくなり、QCSEに起因する光吸収を低減させるとともに、所望の空乏層厚を得ることができる。 By suppressing the diffusion of Zn and the increase in the concentration in the non-doped clad core layer 15, as shown in FIG. 5, a more uniform electric field is applied to the non-doped clad core layer 15 when a reverse bias voltage is applied. This prevents a high electric field from being applied in a concentrated manner to the MQW region, reducing the optical absorption caused by QCSE and enabling the desired depletion layer thickness to be obtained.

また、Znの拡散により、ノンドープ層の一部がp層に置き換わることにより、実効的なp層の厚さが増えることになる。これは、電気回路上、ある厚さを有する高抵抗体が挿入されたことと等価であり、高周波線路として電気損失を増大させる主要因となる。Znの拡散を抑制することにより、高抵抗体を考慮することなく広帯域な高周波回路設計が可能となる。 In addition, the diffusion of Zn replaces part of the non-doped layer with a p-layer, increasing the effective thickness of the p-layer. In terms of the electrical circuit, this is equivalent to inserting a high-resistance resistor of a certain thickness, and is the main cause of increased electrical loss in high-frequency lines. By suppressing the diffusion of Zn, it becomes possible to design wideband high-frequency circuits without having to consider high-resistance resistors.

次に、半導体光変調素子の具体例について説明する。 Next, we will explain some specific examples of semiconductor optical modulation elements.

図6に、本発明の一実施形態にかかる半導体光変調素子を示す。半導体光変調素子は、マッハ・ツェンダ型の光変調器であり、光導波路31に形成された光分波器と光合波器との間を、2本のアーム導波路31a,31bが接続している。アーム導波路31a,31bには、容量装荷型電極構造が形成され、電気信号の印加によりコア層に二次の電気光学効果を引き起こし、コア層の屈折率を変調する屈折率変調領域となる。容量装荷型電極構造は、信号電極18と接地電極19とからなり、一端に信号源33が接続され、他端に終端抵抗34が接続されている。 Figure 6 shows a semiconductor optical modulation element according to one embodiment of the present invention. The semiconductor optical modulation element is a Mach-Zehnder type optical modulator, and two arm waveguides 31a and 31b are connected between an optical splitter and an optical multiplexer formed in an optical waveguide 31. A capacitance-loaded electrode structure is formed in the arm waveguides 31a and 31b, and a secondary electro-optic effect is caused in the core layer by application of an electric signal, forming a refractive index modulation region that modulates the refractive index of the core layer. The capacitance-loaded electrode structure is composed of a signal electrode 18 and a ground electrode 19, and a signal source 33 is connected to one end and a termination resistor 34 is connected to the other end.

図7に、本実施形態の半導体光変調素子の屈折率変調領域(A-A’)の断面を示す。閃亜鉛鉱形半絶縁性の半導体結晶基板10の(100)面と等価な基板面上に、第2のn型コンタクト層11、第3のn型クラッド層12、p型クラッド層13、第2のn型クラッド層14、ノンドープクラッド・コア層15、第1のn型クラッド層16を順次積層する。ドライエッチング及びウェットエッチング加工を用いて、アーム導波路31a,31bが形成される領域を分離し、変調に寄与しない領域を除去する。また、光学損失低減の観点から、除去された箇所は、半絶縁性InPの埋込層20によって埋め戻す。 Figure 7 shows a cross section of the refractive index modulation region (A-A') of the semiconductor optical modulation element of this embodiment. A second n-type contact layer 11, a third n-type cladding layer 12, a p-type cladding layer 13, a second n-type cladding layer 14, a non-doped cladding core layer 15, and a first n-type cladding layer 16 are sequentially laminated on a substrate surface equivalent to the (100) surface of a zinc-blende semi-insulating semiconductor crystal substrate 10. Dry etching and wet etching processes are used to separate the regions where the arm waveguides 31a and 31b are formed, and the regions that do not contribute to modulation are removed. In addition, from the viewpoint of reducing optical loss, the removed portions are backfilled with a semi-insulating InP buried layer 20.

さらに、第1のn型クラッド層16に対して[011]面方向と等価な方向に、アーム導波路31a,31bの形状のエッチングを施すことにより、逆メサ方向にリッジ形状に形成されたクラッドが光変調導波路となる。第1のn型クラッド層16の上面に第1のn型コンタクト層17を介して信号電極18と接地電極19とを形成する。信号電極18と接地電極19とは、コプレーナ・ストリップ線路の構造を有する進行波電極である。 Furthermore, by etching the first n-type cladding layer 16 in a direction equivalent to the [011] plane direction into the shape of the arm waveguides 31a, 31b, the cladding formed in a ridge shape in the reverse mesa direction becomes an optical modulation waveguide. A signal electrode 18 and a ground electrode 19 are formed on the upper surface of the first n-type cladding layer 16 via the first n-type contact layer 17. The signal electrode 18 and the ground electrode 19 are traveling wave electrodes having a coplanar strip line structure.

例えば、第2のn型コンタクト層11はキャリア濃度が5E+18cm-3のInGaAsとし、第3のn型クラッド層12および第1のn型クラッド層16はキャリア濃度が1E+18cm-3のInPとする。また、p型クラッド層13のキャリア濃度は、光吸収係数及び電気抵抗率から鑑みて5E+17~1E+18cm-3とし、電子キャリアブロックの効果を高めるためにバンドギャップがInPよりも大きい、例えばInAlAsなどを採用した。 For example, the second n-type contact layer 11 is made of InGaAs with a carrier concentration of 5E+18 cm -3 , and the third n-type cladding layer 12 and the first n-type cladding layer 16 are made of InP with a carrier concentration of 1E+18 cm -3 . The carrier concentration of the p-type cladding layer 13 is set to 5E+17 to 1E+18 cm -3 in consideration of the optical absorption coefficient and electrical resistivity, and a material with a band gap larger than that of InP, such as InAlAs, is used to enhance the electron carrier blocking effect.

第2のn型クラッド層14は、濃度が濃い場合、層厚が厚い場合にはサイリスタ構造によってコア層への効率的な電界印加の妨げになるため、Zn拡散を抑制する最低限度の濃度及び厚さを設定する必要がある。具体的には、濃度が1E+17cm-3の場合には最大層厚が50nm、濃度が2E+18cm-3の場合には最大層厚はおよそ20nmと見積もられる。本実施形態では、濃度1E+18cm-3、層厚20nmに設定したInGaAsPとした。 If the second n-type cladding layer 14 has a high concentration or a large thickness, it will prevent efficient application of an electric field to the core layer due to the thyristor structure, so it is necessary to set the minimum concentration and thickness to suppress Zn diffusion. Specifically, the maximum layer thickness is estimated to be 50 nm when the concentration is 1E+17 cm -3 , and approximately 20 nm when the concentration is 2E+18 cm -3 . In this embodiment, InGaAsP is used with a concentration of 1E+18 cm -3 and a layer thickness of 20 nm.

結晶成長は有機金属気相成長(MOVPE)により、半絶縁性InP(100)基板10上に堆積した。ノンドープコア層52のバンドギャップ波長は、動作光波長で高効率に電気光学効果を有効に作用させ、かつ光吸収が問題にならない範囲で決定する。例えば、通信波長帯の1.55μm帯の場合には、ノンドープコア層52の発光波長を1.4μm程度とする。ノンドープコア層52は、高効率変調の観点から望ましくはInGaAlAs/InAlAsの多重量子井戸構造で形成させる。なお、InGaAsP/InP,InGaAsP/InGaAsPなどの多重構造としても、本実施形態における有用性が失われない。また、コンタクト層、クラッド層の組成は上記に限定されず、例えばInGaAsP組成を用いてもよい。 The crystals were grown on a semi-insulating InP (100) substrate 10 by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). The band gap wavelength of the non-doped core layer 52 is determined within a range that effectively operates the electro-optic effect at the operating light wavelength with high efficiency and does not cause optical absorption problems. For example, in the case of the 1.55 μm band of the communication wavelength band, the emission wavelength of the non-doped core layer 52 is set to about 1.4 μm. From the viewpoint of high efficiency modulation, the non-doped core layer 52 is preferably formed with a multiple quantum well structure of InGaAlAs/InAlAs. Note that the usefulness of this embodiment is not lost even if the multiple structure is InGaAsP/InP, InGaAsP/InGaAsP. In addition, the composition of the contact layer and the cladding layer is not limited to the above, and for example, an InGaAsP composition may be used.

その後、[011]面方向と等価な方向に形成されたSiO2からなるアーム導波路のパターンを形成し、ドライエッチング及びウェットエッチング加工を用いて、リッジ形状の光導波路を形成する。 Thereafter, a pattern of an arm waveguide made of SiO 2 formed in a direction equivalent to the [011] plane direction is formed, and a ridge-shaped optical waveguide is formed by dry etching and wet etching.

絶縁膜としてベンゾシクロブテン(BCB)を塗布して導波路の凹凸を平坦化し、第1のn型コンタクト層17のBCBを除去した後に、容量装荷型電極構造を金メッキ法により形成する。なお、BCB以外にも絶縁性の低屈折率材料であるポリイミド等を用いても問題はない。 Benzocyclobutene (BCB) is applied as an insulating film to flatten the unevenness of the waveguide, and after removing the BCB from the first n-type contact layer 17, a capacitive-loaded electrode structure is formed by gold plating. Note that there is no problem in using an insulating low-refractive index material such as polyimide instead of BCB.

図8に、本実施形態の半導体光変調素子の入出力領域(B-B’)の断面を示す。第3のn型クラッド層12にバイアス電圧を印加させるために、ドライ・ウェットエッチングを行い、第2のn型コンタクト層11の一部を露出させ、DCバイアス電極32を形成する。 Figure 8 shows a cross section of the input/output region (B-B') of the semiconductor optical modulation element of this embodiment. In order to apply a bias voltage to the third n-type cladding layer 12, dry/wet etching is performed to expose a part of the second n-type contact layer 11 and form a DC bias electrode 32.

作製した半導体光素子を光変調器として駆動させるためには、pn接合(p型クラッド層13と第2のn型クラッド層14との間)に逆方向電界が印加されるように、DCバイアス電極32に所定のバイアスを印加し、信号源33から高周波信号を信号電極18に給電する。なお、本実施形態では、信号源33から単相信号を給電し、光変調器として駆動させているが、低消費電力化の観点から、各々の電極を終端抵抗で終端して差動信号を給電してもよい。 To operate the fabricated semiconductor optical element as an optical modulator, a predetermined bias is applied to the DC bias electrode 32 so that a reverse electric field is applied to the pn junction (between the p-type cladding layer 13 and the second n-type cladding layer 14), and a high-frequency signal is fed from the signal source 33 to the signal electrode 18. Note that in this embodiment, a single-phase signal is fed from the signal source 33 to operate the element as an optical modulator, but from the viewpoint of reducing power consumption, each electrode may be terminated with a termination resistor to feed a differential signal.

10 半導体結晶基板
11 第2のn型コンタクト層
12 第3のn型クラッド層
13 p型クラッド層
14 第2のn型クラッド層
15 ノンドープクラッド・コア層
16 第1のn型クラッド層
17 第1のn型コンタクト層
18 信号電極
19 接地電極
20 埋込層
31 光導波路
31a,31b アーム導波路
32 DCバイアス電極
33 信号源
34 終端抵抗
51,53 ノンドープクラッド層
52 ノンドープコア層
REFERENCE SIGNS LIST 10 Semiconductor crystal substrate 11 Second n-type contact layer 12 Third n-type cladding layer 13 P-type cladding layer 14 Second n-type cladding layer 15 Non-doped cladding core layer 16 First n-type cladding layer 17 First n-type contact layer 18 Signal electrode 19 Ground electrode 20 Buried layer 31 Optical waveguides 31a, 31b Arm waveguide 32 DC bias electrode 33 Signal source 34 Termination resistors 51, 53 Non-doped cladding layer 52 Non-doped core layer

Claims (6)

光導波路に導波する光の屈折率を変調する屈折率変調領域を有する半導体光変調素子であって、
半導体結晶基板の(100)面と等価な基板面上に、上層から基板面に向かって、第1のn型クラッド層、ノンドープクラッド・コア層、第2のn型クラッド層、p型クラッド層、および第3のn型クラッド層が積層され
前記第2のn型クラッド層は、n型のドーピング濃度が1E+17cm -3 以上2E+18cm -3 以下の範囲であり、層厚が20nm以上、50nm以下の範囲であることを特徴とする半導体光変調素子。
A semiconductor optical modulation element having a refractive index modulation region that modulates the refractive index of light guided to an optical waveguide,
a first n-type cladding layer, a non-doped cladding core layer, a second n-type cladding layer, a p-type cladding layer, and a third n-type cladding layer are laminated on a substrate surface equivalent to a (100) surface of a semiconductor crystal substrate from the top toward the substrate surface ;
The semiconductor optical modulation element , wherein the second n-type cladding layer has an n-type doping concentration in the range of 1E+17 cm -3 to 2E+18 cm -3 and a layer thickness in the range of 20 nm to 50 nm .
光導波路に導波する光の屈折率を変調する屈折率変調領域を有する半導体光変調素子であって、
半導体結晶基板の(100)面と等価な基板面上に、上層から基板面に向かって、第1のn型クラッド層、ノンドープクラッド・コア層、第2のn型クラッド層、p型クラッド層、および第3のn型クラッド層が積層され、
前記ノンドープクラッド・コア層は、ノンドープクラッド層に挿入されたノンドープコア層からなり、前記ノンドープコア層の積層構造中の相対的な中心位置は、前記ノンドープクラッド・コア層全体の中心位置よりも、上方に位置していることを特徴とする半導体光変調素子。
A semiconductor optical modulation element having a refractive index modulation region that modulates the refractive index of light guided to an optical waveguide,
a first n-type cladding layer, a non-doped cladding core layer, a second n-type cladding layer, a p-type cladding layer, and a third n-type cladding layer are laminated on a substrate surface equivalent to a (100) surface of a semiconductor crystal substrate from the top toward the substrate surface;
A semiconductor optical modulation element characterized in that the non-doped clad-core layer is composed of a non-doped core layer inserted into a non-doped clad layer, and the relative center position of the non-doped core layer in the laminate structure is located higher than the center position of the entire non -doped clad-core layer.
光導波路に導波する光の屈折率を変調する屈折率変調領域を有する半導体光変調素子であって、A semiconductor optical modulation element having a refractive index modulation region that modulates the refractive index of light guided to an optical waveguide,
半導体結晶基板の(100)面と等価な基板面上に、上層から基板面に向かって、第1のn型クラッド層、ノンドープクラッド・コア層、第2のn型クラッド層、Znがドープされたp型クラッド層、および第3のn型クラッド層が積層されていることを特徴とする半導体光変調素子。A semiconductor optical modulation element comprising, on a substrate surface equivalent to a (100) surface of a semiconductor crystal substrate, a first n-type cladding layer, a non-doped cladding core layer, a second n-type cladding layer, a Zn-doped p-type cladding layer, and a third n-type cladding layer, stacked from the top toward the substrate surface.
前記第1のn型クラッド層と前記第3のn型クラッド層のそれぞれにコンタクト層を介して電極が形成され、pn接合に逆方向電界を印加することを特徴とする請求項1、2または3に記載の半導体光変調素子。 The semiconductor optical modulation element according to claim 1, 2 or 3, characterized in that an electrode is formed on each of the first n-type cladding layer and the third n-type cladding layer via a contact layer, and a reverse electric field is applied to the pn junction. 前記光導波路に形成された光分波器と光合波器との間を、2本のアーム導波路により接続し、前記アーム導波路に容量装荷型電極構造が形成されたマッハ・ツェンダ型の光変調器を構成することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の半導体光変調素子。 The semiconductor optical modulation element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the optical splitter and the optical multiplexer formed in the optical waveguide are connected by two arm waveguides, and a Mach-Zehnder type optical modulator is formed in which a capacitively loaded electrode structure is formed in the arm waveguide. 前記第1のn型クラッド層は、[011]面方向と等価な方向に、前記アーム導波路の形状にエッチングが施されることによって、逆メサ方向にリッジ形状となるように形成されていることを特徴とする請求項5に記載の半導体光変調素子。 The semiconductor optical modulation element according to claim 5, characterized in that the first n-type cladding layer is etched in a direction equivalent to the [011] plane direction to the shape of the arm waveguide, so as to have a ridge shape in the reverse mesa direction.
JP2021142453A 2021-09-01 2021-09-01 Semiconductor optical modulator Active JP7569294B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021142453A JP7569294B2 (en) 2021-09-01 2021-09-01 Semiconductor optical modulator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021142453A JP7569294B2 (en) 2021-09-01 2021-09-01 Semiconductor optical modulator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2023035532A JP2023035532A (en) 2023-03-13
JP7569294B2 true JP7569294B2 (en) 2024-10-17

Family

ID=85503770

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021142453A Active JP7569294B2 (en) 2021-09-01 2021-09-01 Semiconductor optical modulator

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7569294B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024252989A1 (en) * 2023-06-05 2024-12-12 日本電信電話株式会社 Semiconductor optical modulation element

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103605218A (en) 2013-10-21 2014-02-26 清华大学 Waveguide electro-optic modulator and manufacturing method thereof
US20160109731A1 (en) 2013-06-09 2016-04-21 Optonet, Inc. Thin Layer Photonic Integrated Circuit Based Optical Signal Manipulators
JP2017103270A (en) 2015-11-30 2017-06-08 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of the same
JP2017167359A (en) 2016-03-16 2017-09-21 日本電信電話株式会社 Ridge-waveguide optical modulator
JP2018189780A (en) 2017-05-01 2018-11-29 日本電信電話株式会社 Compound semiconductor light modulator

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0460525A (en) * 1990-06-29 1992-02-26 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optical oscillator and its driving method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160109731A1 (en) 2013-06-09 2016-04-21 Optonet, Inc. Thin Layer Photonic Integrated Circuit Based Optical Signal Manipulators
CN103605218A (en) 2013-10-21 2014-02-26 清华大学 Waveguide electro-optic modulator and manufacturing method thereof
JP2017103270A (en) 2015-11-30 2017-06-08 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of the same
JP2017167359A (en) 2016-03-16 2017-09-21 日本電信電話株式会社 Ridge-waveguide optical modulator
JP2018189780A (en) 2017-05-01 2018-11-29 日本電信電話株式会社 Compound semiconductor light modulator

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
OGISO et al.,80-GHz Bandwidth and 1.5-V Vπ InP-Based IQ Modulator,Journal of Lightwave Technology,米国,IEEE,2020年01月15日,Volume: 38, Issue: 2,p.249-p.255

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023035532A (en) 2023-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107615140B (en) Semiconductor light modulation element
CN101529313B (en) Semiconductor optical modulator
JP5170236B2 (en) Waveguide type semiconductor optical modulator and manufacturing method thereof
CN101910913B (en) Semiconductor light modulator and light modulation device
JP7569294B2 (en) Semiconductor optical modulator
JP2018189780A (en) Compound semiconductor light modulator
JP2012168356A (en) Semiconductor optical modulation element and semiconductor optical integrated element
JP2005116644A (en) Semiconductor optoelectronic waveguide
US20240006844A1 (en) Semiconductor Optical Device
US20060082855A1 (en) High-speed electro-absorption modulator with low drive voltage
WO2019163559A1 (en) Optical modulator
Shi et al. Demonstration of a dual-depletion-region electroabsorption modulator at 1.55-μm wavelength for high-speed and low-driving-voltage performance
EP4281830B1 (en) Suppression of phototransistor gain in an optical modulator
WO2024252989A1 (en) Semiconductor optical modulation element
US8735868B2 (en) Semiconductor optical modulator
JP4901126B2 (en) Electroabsorption modulator and manufacturing method thereof
CN102520531B (en) N-i-n type electro-optic modulator
JP4280316B2 (en) Waveguide type semiconductor optical functional device
JP4283079B2 (en) Semiconductor optoelectronic waveguide
Yao et al. Study of Zinc Diffusion Effect in High-Speed InP-Based Mach-Zehnder Modulators
CN116719193A (en) InP-based Mach-Zehnder interference type electro-optic modulator and preparation method thereof
CN121642745A (en) Semiconductor laser and optical module

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20210902

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20231025

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240424

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240507

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240627

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20241001

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20241004

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7569294

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350