(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一層のｐドープ半導体と少なくとも一層のｎドープ半導体との間に吸収層を具える電界吸収型光変調器であって、これら層はリッジ型導波路構造を形成し、前記吸収層の厚さが９〜６０ｎｍの範囲であり、かつリッジ部の幅が４．５〜１２μｍの範囲であり、前記吸収層が３またはより少ない数の量子井戸と、該量子井戸の直上および直下のＩｎＧａＡｓＰ薄層と、これらＩｎＧａＡｓＰ層の上および下のＩｎＰ層を含むことを特徴とする電界吸収型光変調器。
【請求項２】
前記量子井戸の厚さの総厚が９〜４０ｎｍの範囲である請求項１に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項３】
前記量子井戸の厚さの総厚が１８〜２５ｎｍの範囲である請求項２に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項４】
前記吸収層の厚さが２０〜４０ｎｍの範囲である請求項１〜３のいずれか一項に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項５】
前記リッジ部の幅が５．５〜８μｍの範囲である請求項１〜４のいずれか一項に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項６】
前記吸収層におけるｐ型及びn型不純物のレベルが、１×１０１７ｃｍ−３未満である請求項１に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項７】
前記吸収層がＩｎＡｌＡｓから成る３つのバリア領域を有する請求項１に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項８】
前記吸収層の上に、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層によって分離される２つのｐ型ＩｎＰ層が設けられ、該ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層の屈折率が、該ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層５を囲む前記２つのＩｎＰ層の屈折率よりも高い請求項１に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項９】
前記吸収層の下で、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層によって分離される２つのｎ型ＩｎＰ層が設けられる請求項１に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項１０】
前記２つのｎ型ＩｎＰ層の下で、アンドープまたは半絶縁性のＩｎＧａＡｓＰ層によって分離される２つのアンドープまたは半絶縁性のＩｎＰ層が設けられ、該アンドープまたは半絶縁性のＩｎＧａＡｓＰ層の屈折率が、該アンドープまたは半絶縁性のＩｎＧａＡｓＰ層を囲む前記２つのＩｎＰ層の屈折率よりも高い請求項９に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項１１】
少なくとも一層のｐドープ半導体と少なくとも一層のｎドープ半導体との間に吸収層を具える埋め込みヘテロ構造の電界吸収型光変調器であって、前記吸収層は、幅が０．６〜３μｍの範囲のメサ形状を有し、かつ前記吸収層の厚さが９〜６５ｎｍの範囲であり、前記吸収層が３つまたはより少ない数の量子井戸と、該量子井戸の直上および直下のＩｎＧａＡｓＰ薄層と、これらＩｎＧａＡｓＰ層の上および下のＩｎＰ層を含むことを特徴とする電界吸収型光変調器。
【請求項１２】
前記量子井戸の厚さの総厚が２０〜４０ｎｍの範囲である請求項１１に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項１３】
前記吸収層の厚さが２０〜４０ｎｍの範囲である請求項１１又は１２に記載の電界吸収型光変調器。
【請求項１４】
前記メサ形状の幅が１〜２μｍの範囲である請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の電界吸収型光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光電子工学部品に関し、特に、電界吸収型光変調器（electro-absorption modulators: ＥＡＭ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界吸収型光変調器(ＥＡＭｓ)は、典型的に、多重量子井戸(multiple quantum wells: ＭＱＷｓ)またはバルク半導体を具える光吸収領域を有する。いずれの場合においても、典型的な光吸収領域の厚さは、0.12〜0.28μmの範囲であり、ＭＱＷデバイスの場合は、典型的に8〜15の井戸数を有するのが一般的である。これらは、一般的に導波路デバイスであり、光吸収領域は、光導波路層としても働く。これらの典型的な厚さは、光吸収領域で電界と光場との高いオーバーラップを得るのに効果的な、比較的強い閉じ込めモードをもたらす。しかしながら、一般的に、変調器のモードサイズが単一モードファイバよりも著しく小さくなってしまうという不利な点がある。
【０００３】
この不利益を克服するために通常用いられる手段は、終端がレンズになっているファイバ(a lens-ended fibre)または自由空間レンズ(a free space lens)のいずれかを用いて、結合効率を増加させる技術である。これは、位置合わせ許容値が比較的小さいため、パッケージングプロセスのコストが比較的高くなってしまう。
【０００４】
別の手段は、導波路テーパを用いて、その面(facet)でのＥＡＭのモードサイズを増加させる技術である。“ラージスポット”能動半導体光電子デバイス（例えば、レーザ、半導体、フォトダイオード、変調器等）を製造するためのさまざまなデザインが提案されてきた。すべては光モード変圧器を包含する(非特許文献１および２参照）。これらのデザインは、多くの場合、位置合わせ許容値が原因で生産量を減少させる、多段のフォトリソグラフィおよび半導体のエッチングを必要とし、多くの場合再成長工程を含む。また、テーパも、１テーパにつき約１〜３ｄＢの光学的損失を増すことで、性能に影響を与える。
【０００５】
非特許文献３は、１０Ｇｂｉｔ／ｓ変調器に適したＥＡＭを開示する。このＥＡＭは、量子井戸を４つだけ有し、埋め込みヘテロ構造形状において、各層の厚さは１３ｎｍである。また、非特許文献４は、４０Ｇｂｉｔ／ｓの埋め込みヘテロ構造ＥＡＭを開示する。このＥＡＭは、１０個の井戸を有し、光モードプロファイルは比較的弱く、挿入損失は５ｄＢ未満である。
【０００６】
非特許文献５は、２．２μｍ幅のリッジ型導波路ＥＡＭテスト構造を開示する。このＥＡＭは、３つの井戸を有し、各層の厚さは８ｎｍである。この場合において、井戸を３つだけ有する理由は、“成長する多くの歪み井戸に関連する問題のため”である。また、非特許文献６は、２〜４μｍ幅のリッジ型ＥＡＭを開示する。このＥＡＭは、８ｎｍの厚さのバリアを有する量子井戸を５つだけ有し、各層の厚さは５．５ｎｍである。この場合もやはり、リッジの幅は、切断された(cleaved)ＳＭＴ−２８(登録商標)ファイバの出力への良好な適合を得るために、モードを拡大するのには狭すぎると考えられている。初期のＭＱＷ ＥＡＭ論文(非特許文献７参照)は、４０μｍ幅のメサ形状のＥＡＭを開示する。このＥＡＭは、２つの量子井戸を有し、各層の厚さは９．４ｎｍである。このメサ形状は幅が広いため、断面において一次元スラブ型導波路と同じくらいの性能であるが、この場合もやはり、このデザインは、切断されたファイバへの低損失結合に適するものとは期待できない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】I. Lealman他、 "1.5 μm InGaAsP/InP large mode size laser for high coupling efficiency to cleaved single mode fibre", Semiconductor Laser Conference, 1994., 14th IEEE International, 19-23 Sept. 1994 Page(s):189 - 190
【非特許文献２】I. Moerman他、 "A review on fabrication technologies for the monolithic integration of tapers with III-V semiconductor devices", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Volume 3, Issue 6, Dec. 1997 Page(s):1308 - 1320
【非特許文献３】K. Wakita他、 "Very low insertion loss (<5dB) and high speed InGaAs / InAlAs MQW modulators buried in semi- insulating InP" Optical Fibre Communications (OFC '97) Technical Digest, pp.137- 138, 1997
【非特許文献４】D. G. Moodie他、 " Applications of electroabsorptionmodulators in high bit-rate extended reach transmission systems", OFC 2003, Invited Paper TuPl, pp. 267-268, 2003.
【非特許文献５】I. K. Czajkowski他、 "Strain-compensated MQW electroabsorption modulator for increased optical power handling," El. Lett., vol. 30, no. 11, pp. 900-901, 1994
【非特許文献６】S. Oshiba他、 "Low drive voltage MQW electroabsorption modulator for optical short pulse generation," IEEE JQE, vol. 34, no. 2, pp. 277-281, 1998
【非特許文献７】T. H. Wood他、 "100 ps waveguide multiple quantum well (MQW) optical modulator with 10:1 on/off ratio," El. Lett., vol. 21, no. 16, pp. 693-694, 1985
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、少なくともその好適な実施形態において、従来知られた構造を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
したがって、本発明は、少なくとも一層のｐドープ半導体と少なくとも一層のｎドープ半導体との間に吸収層を具える電界吸収型光変調器を提供する。これら層は、リッジ型導波路構造を形成する。吸収層の厚さは、９〜６０ｎｍの範囲であり、かつリッジ部の幅は、４．５〜１２μｍの範囲である。
【００１０】
よって本発明は、電界吸収型光変調器に、比較的広いリッジ構造および比較的薄い吸収層を設ける。典型的に、そのような寸法を有するリッジ構造は、それらの比較的高いキャパシタンスが原因で用いられて来なかった。しかしながら、本発明は、比較的薄い吸収層が、周囲の半導体材料の中に広がる弱誘導光モードを提供するということを見出した。結果的に、特に単一モードファイバの中への結合に良く適した比較的拡散した光モードになる。電界吸収型光変調器のこの利点および構成の簡単さは、より高いキャパシタンスに起因するどんな不利益も克服するのに十分である。
【００１１】
吸収層は、バルク半導体から形成されることができる。好適な実施形態において、吸収層は、多重量子井戸を具える。特に、吸収層は、３またはより少ない数の量子井戸(例えば２または３の量子井戸)を具えることができる。多重量子井戸の厚さの合計は、９ｎｍ超えおよび／または４０ｎｍ未満とすることができる。特定の実施形態において、多重量子井戸の厚さの合計は、１２ｎｍ超えまたは１８ｎｍをも超えることができる。量子井戸の厚さが増加することによって、それ故に吸収層は、吸収層のキャパシタンスを減少させる。しかしながら、吸収層が厚すぎる場合、光モードはより平らになる。これは、単一モードファイバへの効果的な結合に望まれるものよりも小さい。それ故に、多重量子井戸の厚さの合計は、３０ｎｍ未満または２５ｎｍよりも小さいものとすることができる。
【００１２】
特定の実施形態において、吸収層は、２０ｎｍを超える厚みを有することができる。同様に、特定の実施形態において、吸収層は、５０ｎｍ未満、４０ｎｍ未満、さらには２３ｎｍ未満の厚みを有することができる。典型的に、吸収層は、比較的低濃度のドープ層である。例えば、吸収層におけるｐおよびｎ型ドーパントのレベルは、１×１０１７ｃｍ−３未満とすることができる。ｐドープ半導体の層およびｎドープ半導体の層において、ｐ型およびｎ型ドーパントのレベルは、典型的に１×１０１７ｃｍ−３よりも大きい。したがって、吸収層は、２層のより高い濃度のドープ層の間の低濃度ドープの層とみなされることができる。
【００１３】
吸収層は、多重量子井戸等を構成する層に加えて、追加の層を含むことができる。吸収層は、活性半導体と包囲ドープ層との間に、ＩｎＰのような半導体材料からなるスペーサ層を含むことができる。このスペーサ層の厚みは、吸収層のキャパシタンスを要求レベルまで減少させるよう選択されることができる。
【００１４】
特定の実施形態において、リッジ部の幅は、５．５μｍ超えおよび／または８μｍ未満とすることができる。より狭いリッジ部は、吸収層のキャパシタンスを減少させるが、光モードの幅も減少させる。
【００１５】
さらなる態様から見ると、本発明は、少なくとも一層のｐドープ半導体と少なくとも一層のｎドープ半導体との間に吸収層を具える埋め込みヘテロ構造の電界吸収型光変調器を提供する。この埋め込みヘテロ構造の電界吸収型光変調器において、吸収層は、幅が０．６〜３μｍの範囲のメサ形状に形成され、かつ吸収層の厚さが９〜６５ｎｍの範囲である。
【００１６】
本発明のこの態様によれば、比較的拡散した光モードが、埋め込みヘテロ構造ジオメトリを用いて達成されることができることが分かった。
【００１７】
本発明のこの態様による電界吸収型光変調器において、吸収層は、多重量子井戸を具えることができる。特に、吸収層は、２または３個の量子井戸を具えることができる。代案として、吸収層は、バルク半導体を具えることができる。
【００１８】
多重量子井戸の厚さの総厚は、２０ｎｍ超えおよび／または４０ｎｍ未満とすることができる。特定の実施形態において、メサ形状の幅は、１μｍ超えおよび／または２μｍ未満とする。
【００１９】
ここで説明された発明によれば、バルク吸収層の総厚または多重量子井戸吸収領域の総厚が、９〜２３ｎｍの範囲である電界吸収型光変調器が提供される。
【００２０】
本発明に従う電界吸収型光変調器は、切断されたＳＭＦ−２８(登録商標)光ファイバへの結合損失を、テーパ導波路を必要とせずに、３ｄＢ未満、好ましくは２ｄＢ未満とするよう設計されることができる。
【００２１】
電界吸収型光変調器は、反射電界吸収型光変調器または二重機能電界吸収型光変調器フォトダイオード構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に従う電界吸収型光変調器構造の、光伝播方向に垂直な面を示す概略的断面図である。
【図２】図１に示す構造の、１５５０ｎｍの波長でシミュレーションされた光モードの１０％強度カウンタおよびＴＥ偏光を示す図である。
【図３】本発明に従う６．４μｍのリッジ幅を有する、製造された弱モードリッジ型電界吸収型光変調器の走査電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態を一例として説明する。
本発明は、テーパを必要とせずに、適度に低い損失(＜３ｄＢ)で、レンズファイバへの結合が達成され得るのに十分弱い光モードを有する電界吸収型光変調器を提供する。新規なデバイス設計は、光モードサイズを、入力／出力ファイバへの位置合わせ許容値を緩和するよう著しく増加させることによって、パッケージされた単一電界吸収型光変調器およびＥＡＭ配置のコストを著しく減少させる可能性を有する。切断された光ファイバに適合する拡大された光モードプロファイルを有するよう設計された光電子部品は、光モード変圧器またはテーパが必要とされない、最小の複雑性／コストの設計をする場合に実現されることができる。
【００２４】
本発明に従う電界吸収型光変調器の好適な実施形態は、図１に概略的に示される。図１において、電界吸収型光変調器は、金属接触層１、誘電体層２およびp＋型ＩｎＧａＡｓ接触層３を順に具える。ｐ型ＩｎＰ層４，６の２層は、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層５によって分離される。ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層５の屈折率は、このｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層５を囲むＩｎＰ層４，６の屈折率よりも高く、このp型ＩｎＧａＡｓＰ層５の目的は、垂直方向における光モードの拡大を促進することである。
【００２５】
吸収領域７は、意図的に低くドープされたデバイスの領域である。これは、逆バイアスがＰｉＮ接合を通って適用される場合に意図的に消耗される。この領域におけるp型およびn型不純物のレベルは、１×１０１７ｃｍ−３未満であるのが好ましい。この実施形態において、吸収領域７は、半導体と、好適にはＩｎＡｌＡｓから成る３つのバリア領域を有する、好適にはＩｎＧａＡｓから成る２つの井戸を有する多重量子井戸(ＭＱＷ)と、このＭＱＷの直上および直下のＩｎＧａＡｓＰ薄層と、これらＩｎＧａＡｓＰ層の外側上のＩｎＰ層との種々の層を含む。吸収領域７の総厚は、デバイスのキャパシタンスを必要値まで減少するよう選択される。
【００２６】
吸収領域７の下で、２つのｎ型ＩｎＰ層８，１０は、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層９によって分離される。このｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層９の主な目的は、エッチング停止層として振舞うことである。エッチング停止層の下で、アンドープまたは半絶縁性のＩｎＰ層１１，１３は、アンドープまたは半絶縁性のＩｎＧａＡｓＰ層１２によって分離される。アンドープまたは半絶縁性のＩｎＧａＡｓＰ層１２の屈折率は、このアンドープまたは半絶縁性のＩｎＧａＡｓＰ層１２を囲むＩｎＰ層１１，１３の屈折率よりも高く、このアンドープまたは半絶縁性のＩｎＧａＡｓＰ層１２の目的は、垂直方向における光モードの拡大を促進することである。
【００２７】
この実施形態において、リッジ部の幅は、７μｍであり、リッジ部の高さは、３．７μｍである。吸収領域７における活性材料は、２つの量子井戸および３つのバリアだけを含み、約３７ｎｍの総厚を有する。代案として、同程度の厚さのバルクまたは量子ドット吸収体領域が用いられ得る。エッチングされない領域もまた、機械的な理由でリッジ型導波路に加えて、デバイス上で種々のポイントで用いられることができる。
【００２８】
この構造のシミュレーションされた光モードは、図２に示される。吸収領域７における閉じ込め係数は非常に低い(＜２％)ため、光パワーハンドリングは非常に良好である。強度垂直／水平モードプロファイルでのシミュレーションＦＷＨＭは、ＴＥおよびＴＭの両方に対して９．３度／９．１度であり、切断されたファイバへの結合損失が１．６〜１．８ｄＢの範囲であるとの予測を与える。空乏領域の厚さは、異常に薄い〜０．１１μｍと推定され、これは、吸収が狭い電圧の範囲において起こるということを意味し、(他のＭＱＷ ＥＡＭｓにおいて得られる電圧に対する吸収の値を用いて)３４０μｍ長反射ＥＡＭにおける〜０．４Ｖ−１の最大ｄＴ／ｄＶ値を与える。これは、存在するデバイスの全てに対して大きな改善であり、アナログアンテナリモーティングアプリケーション等において低システム損失に変わる。この構造のシミュレ−ションインピーダンスに基づいて、５０Ωに適合させた場合に、２ＧＨｚ ３ｄＢｅバンド幅が期待される。
【００２９】
高いバンド幅は、短いデバイスまたは広い減少領域を有するデバイスを用いて達成されることができる。(図３に示される)６．４μｍリッジ幅を有する３つの量子井戸ＥＡＭの測定された性能からの推定に基づくシミュレーションは、１０ｄＢの変調と約１０ＧＨｚのバンド幅が、２つの量子井戸を有する〜１５０μｍの長さの反射ＥＡＭにおいて達成されることができるということを予測する。これは、この設計が、配列された１０Ｇｂｉｔ／ｓ変調器と同じくらい広いアプリケーションを見出すことができるため、重要である。進行波電極法を介してバンド幅をさらに広げることは可能である。
【００３０】
低コスト拡大されたモードフォトダイオードは、上述したものと非常に似た構造を有することができる。
【００３１】
要約すると、電界吸収型光変調器は、少なくとも一層のｐドープ半導体６と少なくとも一層のｎドープ半導体８との間に吸収層７を具える。これら層は、リッジ型導波路構造を形成する。吸収層の厚さは、９〜６０ｎｍの範囲であり、かつリッジ部の幅は、４．５〜１２μｍの範囲である。
【００３２】
デザインは、ＥＡＭｓを、サブシステム小型化のためのハイブリッド集積スキームの一部としてパッシブな光導波路に受動的に同調させることができる(G.Maxwell他、“Very low coupling loss, hybrid-integrated all-optical regenerator with passive assembly”、European Conference On Optical Communications, Post Deadline Paper, 2002)。適用領域は、電気通信およびデータ通信用のデジタル変調器およびアンテナ供給用ファイバリモーティングを含む。
【図１】
0005557253.tif 000002
【図２】
0005557253.tif 000003
【図３】
0005557253.tif 000004