(57)【要約】【課題】本発明は、素子劣化時の位相制御特性の経時変動による影響を抑制し、長期安定性を実現する半導体装置及びその方法を提供する。【解決手段】本発明は、半導体光導波路を伝搬する光の位相制御のための半導体装置であって、半導体光導波路と、半導体光導波路に電流注入を行う位相調整電極と、電流注入により半導体光導波路から放出された自然放出光を受光して、当該受光した自然放出光の強度に比例した光吸収電流を生成するモニタＰＤ部と、モニタＰＤ部で生成された光吸収電流を取り出す光吸収電流取り出し部とを備えたことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光導波路を伝搬する光の位相制御のための半導体装置であって、
ｐｎ接合構造又はｐｉｎ接合構造を有する半導体光導波路と、
前記半導体光導波路に電流注入を行う位相調整電極と、
前記電流注入により前記半導体光導波路から放出された自然放出光を受光して、当該受光した自然放出光の強度に比例した光吸収電流を生成するモニタＰＤ部と、
前記モニタＰＤ部で生成された前記光吸収電流を取り出す光吸収電流取り出し部と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記光吸収電流取り出し部で取り出された光吸収電流の値が所定の値となるように前記位相調整電極から注入される電流を制御する定電流回路部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体装置は、マッハツェンダー型光変調器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記モニタＰＤ部は、前記半導体光導波路と同一の作製工程において作製されて前記半導体光導波路と同一の組成を有するか、又は前記半導体光導波路より光吸収端波長が長い組成を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体装置において半導体光導波路を伝搬する光の位相制御のための方法であって、
ｐｎ接合構造又はｐｉｎ接合構造を有する半導体光導波路に位相調整電極から電流を注入するステップと、
当該電流注入によって前記半導体光導波路から放出された自然放出光を受光して、当該受光した自然放出光の強度に比例した光吸収電流をモニタＰＤ部において生成するステップと、
前記モニタＰＤ部で生成された前記光吸収電流を取り出すステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
前記取り出された光吸収電流の値が所定の値となるように前記位相調整電極から注入される電流を制御するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記半導体装置は、マッハツェンダー型光変調器であることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
前記モニタＰＤ部は、前記半導体光導波路と同一の作製工程において作製されて前記半導体光導波路と同一の組成を有するか、又は前記半導体光導波路より光吸収端波長が長い組成を有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流注入によって半導体光導波路を伝搬する光の位相変化量を制御するための半導体装置及びその方法であって、より詳細は、素子劣化時の位相制御特性の経時変動を抑制し、長期安定性を実現するための半導体装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体光変調器は、近年の結晶成長技術や高精度加工技術の進展によって、光導波路としての特性が大きく向上したため、これまでのガラス材料をベースにした光変調器では困難であった高屈折率制御による小型化や低動作電圧化の開発が進展している。このうち、多様な光変調方式や今後の高速大容量化の推進に対応するため、従来の強度変調方式だけではなく、光の位相や偏波を用いた位相変調器が期待されている。
【０００３】
このような位相変調器の例として、基本的なマッハツェンダー（Mach−Zehnder：ＭＺ）型変調器の模式図を図１に示す。図１には、入力導波路１と、分岐部２と、第１及び第２のアーム導波路３及び４と、合波部５と、第１及び第２の出力導波路６及び７を備えたＭＺ型光変調器が示されている。図１に示すように、入力導波路１に入力された信号光を分岐部２で２分岐し、分岐後の信号光の位相を第１及び第２のアーム導波路３及び４でそれぞれ制御した後に各信号光を合波部５で合波することで、第１及び第２の出力導波路６及び７から強度変調光や位相変調光を得ることができる。
【０００４】
このような多機能の光位相変調器は、電気信号との相互作用を用いるための光導波路部分と、位相を調整するための光導波路部分と、光の合波分波器とで構成される。そのため、これらの機能部品を素子内に集積して作製することによって、素子の大型化やこれによる消費電力の増大という課題が生じる。光位相変調器を構成するこれらの光導波路部品は、その材料の屈折率差によって光を閉じ込めて導波させるため、屈折率差を大きくとることで小型化が可能になる。
【０００５】
従来のガラス材料と比較して、半導体材料は広範囲な屈折率の設定が可能であるため、半導体材料による光導波路部品の作製が可能になることで、素子の大幅な小型化が期待されている（例えば、非特許文献１参照）。半導体で形成される導波路構造は、光が導波する中心となるコア層を屈折率の大きな材料で挟むことで形成される。このとき、挟む半導体層をｐ層とｎ層によって形成し、この両導電層に逆方向電界を印加することで、コア層であるｉ層に効率的に電界を印加することが可能になり、これにより、ｐ層及びｎ層とｉ層との屈折率差を効率的に大きくすることができる。その結果、半導体材料を用いた場合ではガラス材料を用いた場合に比べて１/１０程度の小型化が可能になる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Kikuchi 他、「80-Gb/s Low-Driving-Voltage InP DQPSK Modulator With an n-p-i-n Structure」、IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.21, NO.12, p.787-789, ２００９年６月１５日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
半導体ｐｉｎ構造の屈折率制御としては、前述の逆方向電界印加のほかに、ｐｉｎ接合構造に順方向電流を注入してｐ層及びｎ層のそれぞれから多数キャリアをｉ層に注入し、キャリアをｉ層に閉じ込めることで、この部分の屈折率を制御することも可能である。ここで制御される屈折率はｉ層に溜まったキャリアの密度によって決定され、キャリア密度はキャリア再結合寿命で決まるキャリア減少速度に基づく単位時間当たりのキャリア減少量と注入キャリア密度に基づく単位時間当たりのキャリア増加量との平衡状態で決まる値になる。
【０００８】
半導体ｐｉｎ接合への注入キャリア密度は注入電流密度で決まるが、注入電流密度は制御可能であるのに対しキャリア再結合寿命で決まるキャリア減少速度の値は制御できない。そのため、キャリア減少速度が変動した場合、注入電流密度は一定でもキャリア密度に変動が生じることになり、屈折率に変動が生じるため、結果として屈折率で決まる位相変化量を長期にわたって安定に制御することが困難になる可能性がある。
【０００９】
ここで、キャリア密度を反映する物理量を測定する方法を見出すことによって、当該測定値に基づいて屈折率を一定に制御することができれば、素子劣化時の位相制御特性の経時変動に関わらず、半導体素子の位相制御特性を長期にわたって安定に維持することが可能となる。
【００１０】
上記を鑑み、本発明は、素子劣化時の位相制御特性の経時変動による影響を抑制し、長期安定性を実現するための半導体装置及びその方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の半導体装置は、半導体光導波路を伝搬する光の位相制御のための半導体装置であって、ｐｎ接合構造又はｐｉｎ接合構造を有する半導体光導波路と、前記半導体光導波路に電流注入を行う位相調整電極と、前記電流注入により前記半導体光導波路から放出された自然放出光を受光して、当該受光した自然放出光の強度に比例した光吸収電流を生成するモニタＰＤ部と、前記モニタＰＤ部で生成された前記光吸収電流を取り出す光吸収電流取り出し部と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置であって、前記光吸収電流取り出し部で取り出された光吸収電流の値が所定の値となるように前記位相調整電極から注入される電流を制御する定電流回路部をさらに備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の半導体装置は、請求項１又は２に記載の半導体装置であって、前記半導体装置は、マッハツェンダー型光変調器であることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の半導体装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置であって、前記モニタＰＤ部は、前記半導体光導波路と同一の作製工程において作製されて前記半導体光導波路と同一の組成を有するか、又は前記半導体光導波路より光吸収端波長が長い組成を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の方法は、半導体装置において半導体光導波路を伝搬する光の位相制御のための方法であって、ｐｎ接合構造又はｐｉｎ接合構造を有する半導体光導波路に位相調整電極から電流を注入するステップと、当該電流注入によって前記半導体光導波路から放出された自然放出光を受光して、当該受光した自然放出光の強度に比例した光吸収電流をモニタＰＤ部において生成するステップと、前記モニタＰＤ部で生成された前記光吸収電流を取り出すステップと、を含むことを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の方法は、請求項５に記載の方法であって、前記取り出された光吸収電流の値が所定の値となるように前記位相調整電極から注入される電流を制御するステップをさらに含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の方法は、請求項５又は６に記載の方法であって、前記半導体装置は、マッハツェンダー型光変調器であることを特徴とする。
【００１８】
請求項８に記載の方法は、請求項５乃至７のいずれかに記載の方法であって、前記モニタＰＤ部は、前記半導体光導波路と同一の作製工程において作製されて前記半導体光導波路と同一の組成を有するか、又は前記半導体光導波路より光吸収端波長が長い組成を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると素子劣化時のキャリア再結合寿命が変動した場合でも、常に一定のキャリア密度に維持することが可能になり、長期にわたって安定な位相制御を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ＭＺ光変調器の模式図である。
【図２】自然放出光スペクトルと注入電流との関係を例示する図である。
【図３】本発明に係る半導体光導波路を伝搬する光の位相を制御するための装置を例示する図である。
【図４】本発明に係る、光吸収電流に基づいて注入電流を制御してキャリア密度を所定の値に制御するための装置構成を例示する図である。
【図５】本発明の実施例に係るＭＺ型光変調器を例示する図である。
【図６】本発明の実施例に係るＭＺ型光変調器を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の原理を説明する。半導体素子の位相制御特性を長期にわたって安定に維持するためには、屈折率で決まる位相変化量を一定にすることが重要になる。ここで、屈折率はキャリア密度で決定されるため、このキャリア密度を直接計測することが可能となれば、キャリア再結合寿命の変動が生じた場合でも、注入電流密度を制御することによりキャリア密度を一定に保つことが可能となり、屈折率で決まる位相変化量を長期にわたって安定に制御することが可能となる。
【００２２】
キャリア密度に依存した特性として、自然放出光強度がある。自然放出とは、直接遷移型の半導体ｐｎ接合構造で常にキャリアが注入された状態において、注入キャリア密度に比例した強度で自然放出光が発光する現象である。
【００２３】
以下、自然放出について説明する。ｐｎ接合に順方向電流を流すと、ｐ層側及びｎ層側からそれぞれ正孔および電子が注入されてｐｎ接合界面あるいはｐｉｎ接合構造のｉ層に流れ込み、電子と正孔が再結合してキャリアがエネルギーに変換される。キャリア再結合の際には、ある一定の割合で発光再結合が生じ、この時に発生する光の波長はバンドギャップエネルギーに対応した波長を中心として分布し、その強度はキャリア密度に比例する。
【００２４】
したがって、ｐｉｎ構造で形成された半導体光導波路を伝搬する光の位相を制御する際に、電流注入による屈折率制御を用いる場合、ｉ層から発生した自然放出光の強度に基づいて所望の屈折率になっているかを検出することが可能になる。自然放出光スペクトルと注入電流との関係例を図２に示す。図２の２０１、２０２及び２０３は、各注入電流における波長に対する自然放出光の発光強度を示し、２０４は波長に対する信号光強度を示し、２０５はフォトダイオードにおける波長に対する光吸収感度を示す。図２の２０１、２０２及び２０３に示すように、電流値が大きくなるにつれて発光強度が大きくなる。また、図２の２０５に示されるように波長１４００ｎｍ以降で光吸収感度が激減しており、自然放出光は吸収されるが、信号光は透過される。そのため、信号光に影響を与えずにモニタすることができる。
【００２５】
図３は、本発明に係る半導体光導波路を伝搬する光の位相を制御するための装置構成を示す。図３には、半導体ｐｎ又はｐｉｎ構造を有する半導体光導波路１０１と、半導体光導波路１０１の位相制御領域に電流を注入する位相制御電極１０２と、位相制御電極１０２による電流注入により半導体光導波路１０１から放出された自然放出光に比例した光吸収電流を生成するモニタフォトダイオード（ＰＤ）部１０３と、モニタＰＤ部１０３で生成された光吸収電流を取り出す光吸収電流取り出し部１０４と、を備えた半導体装置１００が示されている。
【００２６】
モニタＰＤ部１０３は、特定波長の光を検出することが可能な半導体ｐｎあるいはｐｉｎ構造を形成することによって作製される。モニタＰＤ部１０３を構成する半導体層構造は、半導体光導波路１０１を形成する半導体構造と全く同じ層構造でも実現可能である。この場合、一様に形成される半導体エピタキシャル層から半導体光導波路１０１をエッチングによって形成する際に、同時にモニタＰＤ部１０３となる領域を形成することで、チップ作製工程は全く変えずに実現可能である。
【００２７】
光吸収電流取り出し部１０４は、例えばモニタＰＤ部１０３で生成された光吸収電流を取り出すための電極を形成することによって作製することができる。この場合、光吸収電流取り出し部１０４も同様に、位相制御電極１０２を形成する構造及び工程と全く同じ構造及び工程で実現可能である。
【００２８】
このようにして形成されたモニタＰＤ部１０３及び光吸収電流取り出し部１０４を用いて、半導体光導波路１０１から放出された自然放出光の強度に比例した光吸収電流の値を所定の値に保持するように位相制御電極１０２から半導体光導波路１０１への注入電流を制御すれば、キャリア密度を所定の値に保持していることと等価となるため、位相変化量を一定に保持することが可能になる。
【００２９】
図４に、取り出された光吸収電流に基づいて注入電流を制御してキャリア密度を所定の値に制御するための装置構成を示す。図４には、半導体光導波路１０１と、位相制御電極１０２と、モニタＰＤ部１０３と、光吸収電流取り出し部１０４と、定電流回路１０５とを備えた半導体装置２００が示されている。
【００３０】
定電流回路１０５は、光吸収電流取り出し部１０４によって取り出された光吸収電流に基づいて、キャリア密度が所定の値となるように位相調整電極１０２によって半導体光導波路１０１に印加される電流を制御する。
【００３１】
（実施例）
以下に、本発明の実施例を示す。ここで、下記の実施例ではＭＺ型光変調器を例示しているが、これに限定されず、半導体光導波路を伝搬する光の位相制御を行う構成であれば本発明を適用可能である。
【００３２】
図５を用いて、位相制御のために電流注入がなされる半導体光導波路の近傍に、半導体光導波路から発せられる自然放出光を検出するためのモニタＰＤ部を設けた半導体位相変調器の実施例を説明する。図５は、本発明の実施例に係るＭＺ型光変調器の構成を例示する。図５には、入力導波路３０１と、分岐部３０２と、第１及び第２のアーム導波路３０３及び３０４と、合波部３０５と、第１及び第２の出力導波路３０６及び３０７を備えたＭＺ型光変調器３００であって、第１のアーム導波路３０３を伝搬する光を変調するための第１の変調信号電極３０８と、第２のアーム導波路３０４を伝搬する光を変調するための第２の変調信号電極３０９と、第１のアーム導波路３０３を伝搬する光の位相を制御するための第１の位相調整電極３１０と、第２のアーム導波路３０４を伝搬する光の位相を制御するための第２の位相調整電極３１１と、第１のアーム導波路３０３から発せられた自然放出光を受光して自然放出光の強度に比例した第１の光吸収電流を出力する第１のモニタＰＤ部３１２と、第２のアーム導波路３０４から発せられた自然放出光を受光して自然放出光の強度に比例した第２の光吸収電流を出力する第２のモニタＰＤ部３１３と、第１のモニタＰＤ部３１２から出力された光吸収電流を取り出す第１の光吸収電流取り出し部３１４と、第２のモニタＰＤ部３１３から出力された光吸収電流を取り出す第２の光吸収電流取り出し部３１５と、を備えたＭＺ型光変調器３００が示されている。
【００３３】
図５に示すように、入力導波路３０１に入力された信号光を分岐部３０２で２分岐して第１及び第２のアーム導波路３０３及び３０４にそれぞれ出力し、第１及び第２のアーム導波路３０３及び３０４を伝搬する信号光をそれぞれ第１及び第２の変調信号電極３０８及び３０９で変調し、第１の位相調整電極３１０を用いて第１のアーム導波路３０３に電流を注入することによって第１のアーム導波路３０３を伝搬する信号光の位相を制御した後に各信号光を合波部３０５で合波することで、第１及び第２の出力導波路３０６及び３０７からそれぞれ出力光が出力される。第１の位相調整電極３１０での電流注入によって第１のアーム導波路３０３で自然放出光が発生し、当該自然放出光は第１のモニタＰＤ部３１２で受光されて自然放出光の強度に比例した光吸収電流が生成される。第１の光吸収電流取り出し部３１４は、第１のモニタＰＤ部３１２で生成された光吸収電流を取り出すことができる。
【００３４】
ここで、上記では、第１のアーム導波路３０３に電流を注入して第１のアーム導波路３０３から発せられた自然放出光を第１のモニタＰＤ部３１２で検出する構成例を示したが、第２のアーム導波路３０４に電流を注入して第２のアーム導波路３０４から発せられた自然放出光を第２のモニタＰＤ部３１３で検出する構成としてもよいことは言うまでもない。以下でも同様とする。
【００３５】
以下、図５に示す本発明の実施例に係るＭＺ型光変調器３００の作製過程を説明する。まず、半導体基板全面にｐｉｎ層構造又はｐｎ層構造をエピタキシャル成長させ、フォトリソグラフィによって光導波路状のマスクパターンを形成する。このマスクパターン形成時に、自然放出光検出用のＰＤ領域状のマスクパターンも一緒に形成する。その後、反応性イオンエッチング等の方法を用いてマスクパターンに覆われていない部分を選択的にエッチング除去することによって、光導波路構造とＰＤ構造を形成する。樹脂材料等で平坦化したのち、表面にフォトリソグラフィを用いて電極を形成する。ここでも電極マスクパターンにＰＤ構造部分を含めることで、光変調器部分と同時に電極部分を形成することが可能である。特に、フォトダイオードを光導波路と同じ層構成とすれば同一の基板上に一括で作製することができ、それにより結晶成長工程が省くことができるとともに、フォトダイオード部分が光導波路部分と同じ半導体層構造を持つことになるため、光導波路部分から発せられる自然放出光を受光することができる。ここで、光導波路部分から発せられる自然放出光を受光するためには、フォトダイオード部分が光導波路部分と同じ組成でなくとも、フォトダイオード部分が光導波路部分よりも光吸収端波長が長い組成であればよい。
【００３６】
なお、フォトダイオード領域への入力成分として信号光の漏えい成分等がある場合も考えられるが、信号光の波長は半導体での吸収損失を極力低減するため、半導体組成の吸収端波長は信号光より短く設定される。したがって、フォトダイオード領域への信号光の漏れ成分等による吸収は生じない。
【００３７】
また、通常２本の干渉系光導波路を形成するため２つのフォトダイオードも並ぶことになるが、同じ干渉系での位相調整領域への電流注入は片側一方の光導波路にしか行わないため、他方の光導波路から自然放出光は発せられず、一方の側に設けられた光導波路から発せられた自然放出光が他方の側に設けられたフォトダイオードに混入することはない。
【００３８】
さらに、複数のＭＺ光変調器が集積化された多値変調や偏波多重の光変調器では、複数の自然放出光発生源から同時に光が発せられることになるが、ＭＺ光変調器では自然放出光をモニタするためのモニタＰＤ部が位相制御電極の直近に形成されて自然放出光を吸収するため、そのさらに先に形成される隣接するＭＺ光変調器のモニタＰＤ部に影響を与えることはない。その反対側へ放出される自然放出光は、電流注入を行わない側の位相調整電極とこれに隣接するモニタＰＤ部が形成されているため、反対側のモニタＰＤ部で吸収されることで、他のＭＺ光変調器へ影響を与えることはない。
【００３９】
このようにして、本実施例では、自然放出光強度を測定することによりキャリア密度を直接計測することが可能になる。
【００４０】
図６を用いて、光導波路の近傍にモニタＰＤ部を備えた半導体位相変調器において、動作点を長期にわたって安定に制御する方法を以下に示す。図６には、図５で示した構成において、第１及び第２の位相調整電極３１０及び３１１と第１及び第２のモニタＰＤ部３１２及び３１３とに接続された定電流回路３１６をさらに備えたＭＺ型光変調回路３５０が示されている。
【００４１】
定電流回路３１６は、第１のモニタＰＤ部３１２から第１の光吸収電流取り出し部３１４を介して取り出された光吸収電流を受け取り、受け取った光吸収電流が所定の値となるように第１の位相調整電極３１０における注入電流を制御することができる。
【００４２】
第１のモニタＰＤ部３１２によって検知される自然放出光の強度は、第１のモニタＰＤ部３１２から出力される光吸収電流に基づいて検知される。この値は、自然放出光を発している電流注入領域のキャリア密度を反映している。したがって、第１のモニタＰＤ部３１２から出力された光吸収電流を所定の値に保持するように、電流注入領域への電流値を制御することによって、キャリア密度を所定の値に保持することが可能になる。
【００４３】
自然放出光の波長は、バンドギャップ波長に一致した値になるため、信号伝搬光に比べて短いものとなる。したがって、信号伝搬光そのものの漏れ光や散乱光が、モニタＰＤに検知されることはほとんどない。
【００４４】
ここで、図６では、定電流回路３１６が第１及び第２の位相調整電極３１０及び３１１と第１及び第２のモニタＰＤ部３１２及び３１３とに接続された構成を例示したが、位相を制御する側の位相制御電極及び光吸収電流取り出し部のみに接続されている構成としてもよい。
【００４５】
また、本実施例では、２つの光導波路の両側にモニタＰＤ部を設けた構成としているが、一方の光導波路側だけにモニタＰＤ部を設ける構成としてもよい。
【００４６】
以上のように、光導波路の位相制御領域の近傍にモニタＰＤ部を形成することで、この部分で位相制御領域から発せられる自然放出光強度をモニタし、自然放出光強度を一定に保持するための定電流回路を用いて位相制御領域への電流注入の制御を行うことで、素子劣化時のキャリア再結合寿命が変動した場合でも、常に一定のキャリア密度に維持することが可能になり、長期にわたって安定な位相制御を容易に実現することができる。
【符号の説明】
【００４７】
入力導波路  １、３０１
分岐部  ２、３０２
アーム導波路  ３、４、３０３、３０４
合波部  ５、３０５
出力導波路  ６、７、３０６、３０７
半導体装置  １００、２００
半導体光導波路  １０１
位相制御電極  １０２、３１０、３１１
モニタＰＤ部  １０３、３１２、３１３
光吸収電流取り出し部  １０４、３１４、３１５
定電流回路  １０５、３１６
ＭＺ型光変調器  ３００、３５０
変調信号電極  ３０８、３０９
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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