專利名稱：半導體光調制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體光調制器，更詳細地說，涉及用于光通信系統(tǒng)和光信息處理系 統(tǒng)領域的半導體光調制器。
背景技術：
由于近年來的高度信息化，人們期望因特網(wǎng)等網(wǎng)絡傳送的信息大容量化，光通信 系統(tǒng)和光信息處理系統(tǒng)作為能夠高速傳送大容量信息的通信系統(tǒng)而受到關注。
近年來的光通信系統(tǒng)和光信息處理系統(tǒng)正在進一步推進大容量化以回應上述期 望。在這種光通信系統(tǒng)和光信息處理系統(tǒng)中，為了使高速傳送的距離變長，為了不易受到作 為波形劣化原因的光纖色散的影響，需要使用波長啁啾(f Y— O V )少的光信號。為 此，目前，在光信號的產(chǎn)生中，使DC動作的光源和外部調制器組合的形式占主流。
那么，波導型光控制器件是高速光通信系統(tǒng)、光處理系統(tǒng)的關鍵要素之一。在波 導型光控制器件中，光調制器是用于將聲音和圖像等電信號轉換成光的強弱必不可少的器 件。光調制器大致分為使用LiNbO3(LN)等介質的光調制器、和使用InP或GaAs半導體的 光調制器。
作為外部調制器(光調制器)的代表，目前正在廣泛使用采用LiNbO3(LN)等介質 的LN調制器。這是一種采用通過施加與直流、或光頻率相比足夠低頻率的電場而使媒質的 折射率變化的電光效應來進行動作的光調制器。
這種使用了電光效應的光調制器，有通過使具有電光效應的介質折射率變化來對 光的相位進行調制的相位調制器、和將此相位調制器與馬赫-策德爾干涉系統(tǒng)組合的光強 調制器。馬赫-策德爾型光調制器是一種在原理上能夠使波長啁啾為零，適于超高速、長距 離傳送的調制器。
但是，由于現(xiàn)有的LN調制器的元件長度比較長，因而光發(fā)送器模塊變大了，此外， 驅動電壓也需要3 5V左右的高電壓。而且，由于驅動條件因DC偏差(直流電壓偏差) 或溫度偏差而變化，所以為了穩(wěn)定動作，必須要另外的控制電路。即，存在因上述驅動條件 的變化而必須要驅動條件的控制機構這樣的課題。
另一方面，以下2種是采用了半導體的光調制器的代表。一種是利用了如體半導 體的弗朗茲-凱爾迪什效應(Franz-Keldysh效應)或多量子阱結構中的量子限制斯塔克 效應(Quantum Confined Stark Effect =QCSE)等通過施加電場使吸收端向長波長側偏移 效果的電場吸收型光調制器(EA調制器)。另一種是利用了通過施加電場使折射率變化的 電光效應(普克耳斯效應)的電光調制器(E0調制器)。
電場吸收型光調制器(EA調制器)由于小型、耗電少、還不會產(chǎn)生LiNbO3調制器 中所見的由直流電壓引起的偏差，因而被寄予希望。但是，在電場吸收型光調制器(EA調制 器)中，成為問題的是，調制時產(chǎn)生波長啁啾，由于啁啾的原因在光纖傳送后會產(chǎn)生波形劣 化。即，由于波長啁啾，調制后的光信號頻譜比調制前寬。當通過光纖傳送該頻譜寬的光信 號時，將產(chǎn)生由光纖媒質的分散效應引起的波形劣化，而且還對傳送特性造成不良影響。比特率越高、傳送距離越長，該波形劣化的現(xiàn)象越明顯。
另一方面，關于電光調制器(E0調制器)，通過改變折射率來對光的相位進行調制 的相位調制器、和通過與相位調制器組合以構成馬赫-策德爾干涉計來進行光強度調制的 馬赫-策德爾調制器正在被實用。由于現(xiàn)在的光通信按照光強度的強、弱來發(fā)送信號，所以 主要采用進行強度調制的馬赫-策德爾調制器。該馬赫-策德爾調制器原理上能夠使波長 啁啾為零，作為超高速、長距離通信用的調制器被寄予厚望。作為半導體馬赫-策德爾調制 器的例子，在非專利文獻1中公開了具有p-i-n結構的集總常數(shù)型的調制器。在非專利文 獻1記載的光調制器中，由于具有P-i-n結構，因而漏泄電流小，從而可以高效地對芯層施 加電場。
此外，在非專利文獻2中公開了使用肖特基電極的調制器。在非專利文獻2記載 的調制器中，通過使用行波電極結構作為電極結構來實現(xiàn)寬帶化。此外，在專利文獻1中還 探討研究了以比它們更低電壓化、小型化、高速化為目的的n-i-n結構半導體馬赫-策德爾 調制器。
專利文獻1 國際公開第2004/081638號小冊子
非專利文獻 1 :C. Rolland et al.，“ 10Gbit/s，1. 56 μ m multiquantun well InP/ InGaAsP Mach-Zehnder optical modulator,"Electron,Lett. , vol. 29,no. 5,pp. 471-472, 1993
非專利文獻 2 :R. Spickerman et al. , "GaAs/AlGaAs electro-optic modulator with bandwidth > 40Ghz, "Electron, Lett.，vol. 31，no. 11，pp. 915—916，1995發(fā)明內(nèi)容
但是，在非專利文獻1記載的光調制器中，由于ρ包層的電阻高，因而電信號的傳 輸損失大，難以高速工作，而且由于P包層的光吸收也大，所以難以使用于低工作電壓化的 元件長度變長。此外，在非專利文獻2記載的調制器中，存在工作電壓高這樣的問題。
由于這樣的問題，最近提出了一種上述專利文獻1公開的、具有n-i-n結構的調制 器。在專利文獻1記載的調制器中，通過依次層疊η型包層、芯層、η型包層來形成n-i-n結 構，在形成n-i-n結構的上側η型包層中設有電極。
圖11是現(xiàn)有的、具有n-i-n結構的光波導的光調制器的相位調制波導的截面圖。 在基板上具有依次層疊η型包層102、光波導芯層103、半絕緣型包層104、η型包層105的 層結構。在η型包層105和η型包層102上分別連接有電極108、109。
通過這種結構，向設置在2個η型包層102、105間的光波導芯層103施加電壓以 使其工作。在此結構中，與非專利文獻1涉及的P-i-n結構相同，能夠高效地對芯層施加電 場，此外，由于在包層中使用η型，因而能夠降低由P-i-n結構中存在問題的P包層引起的 電信號及光的傳輸損失，實現(xiàn)低工作電壓化，此外，同時能夠獲得非常穩(wěn)定的輸出。但是，近 年來，隨著光通信系統(tǒng)的進一步發(fā)展，人們渴望光調制器的輸出能進一步穩(wěn)定化。
但是，在具有專利文獻1等n-i-n結構的相位調制波導的光調制器中，存在以下所 述的問題。
圖12是具有n-i-n結構的光波導的光調制器的波導能帶圖。在n-i-n結構的光 波導中，盡管很少但在光波導芯層103中存在光吸收。因此，如圖12所示，因光吸收而產(chǎn)生的空穴106-1在作為阻擋層的半絕緣型包層104中成為被積聚的空穴106-2。該空穴被積 聚時，在能帶圖上，針對電子的半絕緣型包層104的阻擋下降，產(chǎn)生漏泄電流從η型包層105 流向η型包層102這樣的現(xiàn)象(寄生光晶體管效應)。即，在晶體管工作的情況下，在基極 開放狀態(tài)下，基極的空穴濃度上升時，產(chǎn)生與發(fā)射極/基極結正向偏壓相同的狀態(tài)。
并且，由于因被積聚的空穴106-2所產(chǎn)生的上述正向偏壓的效應，施加在光波導 芯層103上的電壓僅下降與該正向偏壓相當?shù)碾妷?。因此，將產(chǎn)生調制特性因輸入到光調 制器的光的波長和光強度而變化的問題。例如，由于當波長變化時需要改變光調制器的驅 動條件，所以就必須要控制電路。此外，由于當光強度變強時調制特性變壞，所以必須限制 光輸入電平。為了避免此調制特性的變化和不穩(wěn)定，在變化不會成為問題的波長和光強度 的范圍內(nèi)，產(chǎn)生了必須使用光調制器這樣的限制。結果，作為光調制器能夠利用的范圍受到 限制。
如上所述，由空穴積聚在作為阻擋層的半絕緣型包層104上所引起的寄生光晶體 管效應造成的問題是，妨礙具有n-i-n結構的相位調制波導的光調制器的穩(wěn)定工作。本發(fā) 明所要解決的課題之一是提供一種結構，其可以抑制上述半絕緣型包層中的空穴積聚和寄 生光晶體管效應、可以抑制由它們引起的調制特性的變化、并實現(xiàn)調制器的穩(wěn)定工作。
那么，為了向n-i-n結構的芯層施加電場，在η型包層和芯層之間需要有電子勢壘 以抑制電子的漏泄電流，而在專利文獻1記載的調制器中，為了形成該勢壘，將摻狗的半絕 緣層設置在形成上述電極的η型包層和芯層之間。但是，在此結構中，調制強度中存在頻率 分散，從而成為對當前渴望的輸出的穩(wěn)定性造成妨礙的主要原因。
本發(fā)明所要解決的另一課題是提供一種半導體光調制器，其既具有n-i-n結構半 導體光調制器的特點又能穩(wěn)定工作、而且對電場的耐壓特性優(yōu)良。
為了實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的第一方面，其特征在于，包括依次層疊第一 η型 半導體包層、半導體芯層、半導體包層、和第二 η型半導體包層而形成的波導結構；所述半 導體包層的電子親和力小于所述第二η型半導體包層的電子親和力。
在上述第一方面中，所述半導體包層和所述第二 η型半導體包層的異質結可以是 II型。
在上述第一方面中，所述半導體包層對空穴的勢能可以小于所述半導體芯層對空 穴的勢能。
此外，在上述第一方面中，在所述半導體包層和所述第二 η型半導體包層之間，可 以插入對空穴的勢能比所述半導體包層小的第三η型半導體包層。
此外，在上述第一方面中，在所述第一 η型半導體包層和所述半導體芯層之間，可 以插入未摻雜包層。
此外，在上述第一方面中，在所述半導體芯層和所述半導體包層之間，可以插入未 摻雜包層。所述半導體包層對空穴的勢能小于插在所述半導體芯層和所述半導體包層之間 的未摻雜包層對空穴的勢能。
此外，在上述第一方面中，所述半導體包層可以是InAlAs。
此外，在上述第一方面中，所述半導體包層可以被摻雜為ρ型。
此外，在上述第一方面中，所述波導結構可以是高臺面波導結構或脊形波導結構。
此外，在上述第一方面中，還可以包括分支裝置和合波裝置，該分支裝置將入射光分為2路并分別從兩個輸出端輸出，所述兩個輸出端分別連接到各所述波導結構的輸入 端；所述合波裝置與2個所述波導結構分別連接，對從該2個波導結構輸出的光進行合波并 輸出。
此外，在上述第一方面中，還可以包括第一電極和第二電極，所述第一電極形成于 所述第一 η型半導體包層未形成所述半導體芯層的區(qū)域上；所述第二電極形成在所述第二 半導體包層上，所述第一電極及第二電極可以是行波型電極結構。
本發(fā)明的第二方面，其特征在于，包括依次層疊由η型InP組成的第一 η型半導 體包層、由未摻雜的InP組成的第一未摻雜包層、未摻雜的半導體芯層、和由未摻雜的InP 組成的第二未摻雜包層而形成的半導體光波導層；以及依次層疊由P型InAlAs組成的半導 體包層、和由η型InP組成的第二 η型半導體包層而形成的波導結構。
本發(fā)明的第三方面，其特征在于，包括依次層疊由η型InP組成的第一 η型半導 體包層、由未摻雜的InP組成的第一未摻雜包層、未摻雜的半導體芯層、和由未摻雜的InP 組成的第二未摻雜包層而形成的半導體光波導層；以及依次層疊由P型InAlAs組成的半導 體包層、由η型InP組成的第二 η型半導體包層、和由η型InGaAsP或η型InGaAlAs組成 的第三η型半導體包層而形成的光波導結構。
本發(fā)明的第四方面，提供一種半導體光調制器，包括依次層疊第一 η型半導體包 層、半導體芯層、半絕緣型的半導體包層和第二 η型半導體包層而形成的波導結構，其特征 在于，包括至少1個P型半導體區(qū)域、以及形成于所述P型半導體區(qū)域上并且電連接到所 述P型半導體區(qū)域的電極，所述至少1個P型半導體區(qū)域為具有P型導電性的區(qū)域，并且形 成于在所述波導結構的光行進方向上具有一定長度區(qū)間的、至少所述第二 η型半導體包層 的一部分或全部上。
在上述第四方面中，所述ρ型半導體區(qū)域可以形成于在所述波導結構的光行進方 向上具有一定長度區(qū)間的、所述第二 η型半導體包層及與所述第二 η型半導體包層相接的 所述半導體包層的一部分上。
此外，在上述第四方面中，所述電極可以形成于所述ρ型半導體區(qū)域及所述第二 η 型半導體包層上，所述P型半導體區(qū)域及所述η型半導體包層共同電連接到所述電極。
此外，在上述第四方面中，所述波導結構可以是高臺面波導結構或脊形波導結構。
此外，在上述第四方面中，還可以包括分支裝置和合波裝置，該分支裝置將入射光 分為2路并分別從兩個輸出端輸出，所述兩個輸出端分別與各所述光波導結構的輸入端連 接，所述合波裝置與2個所述波導結構分別連接，對從該2個波導結構輸出的光進行合波并 輸出。
此外，在上述第四方面中，還可以包括第二電極，其形成于所述第一 η型半導體包 層未形成所述半導體芯層的區(qū)域上，所述電極形成于所述P型半導體區(qū)域及所述第二 η型 半導體包層上，所述電極及第二電極可以是行波型電極結構。
如此，在本發(fā)明的一個實施方式涉及的半導體光調制器中，能夠實現(xiàn)低損失、對電 場的耐壓特性優(yōu)良、低電壓驅動、穩(wěn)定工作的半導體光調制器。即，在本發(fā)明的一個實施方 式中，由于將半導體包層的電子親和力設定得比第二η型半導體包層的電子親和力小，半 導體包層對第二 η型半導體包層的電子變成勢壘，所以對電場的耐壓特性優(yōu)良，強度調制 中的頻率分散減少乃至不產(chǎn)生。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，通過將與半導體包層(例如，半絕緣型包層) 相接的第二 η型半導體包層的一部分或第二 η型半導體包層、和半導體包層的一部分作為 具有P型導電性的P型半導體區(qū)域，因光吸收而產(chǎn)生的空穴通過P型半導體區(qū)域從電極引 出。由此，能夠防止或減輕空穴積聚到作為阻擋層的半導體包層上。因此，能夠抑制漏泄電 流的產(chǎn)生，抑制施加在半導體芯層上的電壓下降，抑制由光吸收引起的調制特性的變化，實 現(xiàn)調制器的穩(wěn)定工作。
在本發(fā)明的一個實施方式涉及的半導體電光調制器(Ε0調制器)中，由于在作為 阻擋層的半導體包層(例如半絕緣型包層)上沒有積聚空穴，或能夠減輕空穴的積聚，因此 能夠抑制漏泄電流的產(chǎn)生和施加在芯層的電壓下降。
為此，能夠改善光調制器的調制特性根據(jù)光波長和光強度而改變的現(xiàn)有問題，實 現(xiàn)調制器的穩(wěn)定工作。


圖1是本發(fā)明的一個實施方式涉及的II型異質結的能帶圖。
圖2是本發(fā)明的一個實施方式涉及的波導結構的截面圖。
圖3是本發(fā)明的一個實施方式涉及的光波導的能帶圖。
圖4是本發(fā)明的一個實施方式涉及的、對波導結構施加反向偏壓時的電壓-電流 特性圖。
圖5是本發(fā)明的一個實施方式涉及的、馬赫-策德爾調制器的相位調制區(qū)域的長 度為3mm時的E/E高頻響應特性圖。
圖6是本發(fā)明的一個實施方式涉及的、使馬赫-策德爾調制器推挽工作的40(ibit/ s的眼形曲線圖。
圖7是本發(fā)明的一個實施方式涉及的波導的能帶圖。
圖8是本發(fā)明的一個實施方式涉及的馬赫-策德爾型光調制器的概況圖。
圖9是本發(fā)明的一個實施方式涉及的光調制器的波導結構圖。
圖10是本發(fā)明的一個實施方式涉及的馬赫-策德爾調制器的結構圖。
圖11是現(xiàn)有的n-i-n結構的光調制器的波導的截面圖。
圖12是現(xiàn)有的n-i-n結構的光調制器的波導層能帶圖。
具體實施方式
下面，參照附圖，詳細地說明本發(fā)明的實施方式。另外，在下面說明的附圖中，對于 具有相同功能的要素賦予相同的符號，省略其反復說明。
本發(fā)明的一個實施方式是一種半導體光調制器，其具有由第一 η型半導體包層、 形成于第一 η型半導體包層上且具有電光效應的半導體光波導層、形成于半導體光波導層 上的半導體包層、和形成于半導體包層上的第二 η型半導體包層的疊層體構成的n-i-n結 構。上述半導體包層是對來自第二 η型半導體包層的電子的阻擋層(勢壘層)。
在本發(fā)明的一個實施方式中，重要的是使上述阻擋層的功能良好。即，重要的是減 輕由半導體波導層中的光吸收而產(chǎn)生的空穴對阻擋層的影響。
上述產(chǎn)生的空穴存在積聚在阻擋層處的可能性，當積聚在阻擋層時，會降低對電子的勢壘。由此，將出現(xiàn)以下問題，即，調制特性根據(jù)入射到半導體波導層的光的強度而變 化，產(chǎn)生強度調制中的頻率分散，因勢壘的下降引起從第一 η型半導體層向第二 η型半導體 層的漏泄電流的產(chǎn)生等。因此，通過降低由于半導體波導層產(chǎn)生的空穴積聚在阻擋層而對 阻擋層造成的影響，能夠提供一種抑制調制特性的變化、能夠穩(wěn)定工作的半導體光調制器。
為了減輕上述空穴對阻擋層的影響，在第一 第三實施方式中，在作為阻擋層的 半導體包層和第二η型半導體包層之間產(chǎn)生由電子親和力引起的導帶不連續(xù)，以便即使空 穴積聚在阻擋層，也能夠對電子起到良好的阻擋作用。此外，在第四和第五實施方式中，為 了減輕上述空穴對阻擋層的影響，因光吸收而產(chǎn)生的空穴也可以流入阻擋層，以維持勢壘 或減少勢壘的下降。
(第一個實施方式)
在本實施方式涉及的半導體光調制器中，依次層疊有第一 η型半導體包層、具有 電光效應的半導體光波導層、半導體包層和第二 η型半導體包層。這種疊層體為n-i-n結 構，在本實施方式中，半導體包層和第二 η型半導體包層成為異質結，并且半導體包層的電 子親和力設計得比第二 η型半導體包層的電子親和力小。通過這種方式，半導體包層對第 二 η型半導體包層的電子將成為勢壘。由此，在不損害n-i-n結構的半導體光調制器的特 點(光的傳播損失的降低、低工作電壓化、小型化、高速化等)的情況下，能夠實現(xiàn)更穩(wěn)定 的、對電場的耐壓特性優(yōu)良的光調制器。
然后，對II型異質結進行說明。圖1所示的是該II型異質結的能帶圖。qx(q: 元電子)被稱為電子親和力，是用于將電子從導體底部取到真空中所需的能量。此外，Eg 被稱作帶隙，是導體與價帶的能量差。那么，所謂Π型異質結是指，半導體2的電子親和力 比半導體1的電子親和力小、且半導體2的電子親和力與能隙之和(qx+Eg)比半導體1的 小的情況。在此，當考慮到將要從半導體1側流向半導體2側的導體的電子時，導帶不連續(xù) (AEc = Ec2-Ec1)變成能障，僅僅具有超過此障礙的能量的電子才能夠流向半導體2。換言 之，對于從半導體1側流向半導體2側的電子來說，該結為高電阻，導帶不連續(xù)設置得越大， 其效果越大，從而呈現(xiàn)出耐壓特性優(yōu)良的特性。
圖2是本實施方式涉及的半導體光調制器的波導結構的截面圖，圖3是圖2所示 的波導結構的能帶圖。
在本實施方式涉及的半導體光調制器中，在半絕緣性的(Si)-InP基板10上，依次 層疊有n-InP包層(第一 η型半導體包層)11、半導體光波導層19、p-InAlAs層(作為勢 壘層的半導體包層)15和n-InP包層(第二 η型半導體包層)16。在半導體光波導19中 層疊有未摻雜的InP包層12、具有電光效應的未摻雜的半導體芯層13、未摻雜的InP包層 14，在InP包層14的上部層疊有P-InAlAs層15。
另外，在本說明書中，“η-半導體”及“η型半導體”是指η型摻雜的半導體。當然， 對于P型摻雜也類似地進行標記。
對于半導體芯層13，可以使用例如具有多量子阱層和光限制層的結構，光限制層 具有的帶隙值在其上下側(半導體芯層13的InP包層12側以及InP包層14側)比多量 子阱層大、且比InP包層12及InP包層14小。此外，設定多量子阱層的帶隙波長，以便在 使用的光波長中，電光效應有效地起作用，并且使光吸收不成為問題。
此外，本實施方式涉及的波導結構具有如圖2所示的高臺面(〃 U寸)波導結構，為了向半導體光波導層19進行電壓的施力Π，在n-InP包層11、及n-InP包層16的上部 分別設有電極17、18。
另外，雖然在本實施方式中，使用高臺面波導結構作為波導結構，但不限于此，也 可以使用脊形波導結構。
然后，從圖3所示的、向本實施方式涉及的半導體光調制器施加電壓時的能帶圖 可以理解，由于P-InAlAs層15比n-InP包層16電子親和力小，所以在二者的異質界面產(chǎn) 生導帶不連續(xù)。因此，產(chǎn)生了 n-InP包層16對電子的勢壘。此外，由于p_InAlAs層15為 P型，n-InP包層16為η型，所以，除了由這些異質結引起的勢壘外，還產(chǎn)生了 ρη結的勢壘。 因此，對于從η-Ιηρ包層16注入的電子，這兩個要素作為一個整體起到勢壘的作用。
在本實施方式中，如圖3所示，P-InAlAs層15和n-InP包層16的異質結設置成 電子和空穴被限制在不同空間位置的II型異質結。此外，也可以是，由半導體光波導層的 光吸收僅僅產(chǎn)生的空穴易于從未摻雜的InP包層14側流入n-InP包層16的結構，在本實 施方式中，在未摻雜的InP包層14和ρ-InAlAs層15的結處，p-InAlAs層15對空穴的勢 能比未摻雜的InP包層14對空穴的勢能小。即，在半導體光波導層和作為勢壘層的半導體 包層的結處，優(yōu)選地，半導體包層對空穴的勢能設置得比半導體光波導層對空穴的勢能小。 在半導體芯層和半導體包層之間未設置包層(本實施方式中，未摻雜InP包層14)的情況 下，半導體光波導層的、與半導體包層相接的層成為半導體芯層。此情況下，在半導體芯層 和作為勢壘層的半導體包層的結處，也可以將半導體包層對空穴的勢能設置得比半導體芯 層對空穴的勢能小。
那么，在半導體光調制器工作時，盡管少，但由于半導體芯層13中的光吸收還 是生成了電子和空穴，雖然此電子容易到達n-InP包層11，但另一方面，空穴也有積聚在 P-InAlAs層15附近的可能性。這就降低了 p-InAlAs層15的勢壘。此情況與ρη結的勢壘 變小相對應，有可能不能充分保持耐壓特性。但是，在本實施方式涉及的結構中，即使上述 的ρη結的勢壘變小，導帶不連續(xù)也依舊能夠作為勢壘起作用，所以能夠提供一種耐壓特性 優(yōu)良的半導體光調制器。
S卩，即使由半導體芯層13產(chǎn)生的空穴積聚在作為阻擋層的P-InAlAs層15上，ρη 結的勢壘變小，但通過使P-InAlAs層15的電子親和力比η_ΙηΡ包層16的電子親和力小， 能夠使由所產(chǎn)生的導帶不連續(xù)引起的勢壘良好地起作用。因此，可以降低從n-InP包層11 流向n-InP包層16側的漏泄電流。此外，由于由該導帶不連續(xù)引起的勢壘良好地起作用， 而不依賴于向半導體芯層13入射的光的強度和波長，所以即使ρη結的勢壘根據(jù)上述入射 光的強度和波長而變化，也能夠穩(wěn)定地進行調制工作。
在這樣的本實施方式中，即使在作為阻擋層的p-InAlAs層(半導體包層)15上積 聚空穴，形成不受該空穴積聚影響的勢壘也是很重要的。為此，在本實施方式中，使作為半 導體包層的P-InAlAs層15的電子親和力比作為第二 η型半導體包層的η_ΙηΡ包層16的 電子親和力小。
那么，將P-InAlAs層15設為ρ型所關心的事情是由價帶間躍遷引起的光吸收。但 是，p-InAlAs層15和InP包層14間的導帶不連續(xù)值并不很大(文獻中值0. 39eV)，層厚 不需要太厚。例如，如果以0. 05 μ m作為p-InAlAs層15的層厚，則能夠具有15V左右的耐 壓特性。此外，由于光吸收的大小與P層的光限制系數(shù)成比例，所以無需將P-InAlAs層15設置成所需厚度以上，且與半導體芯層13分開距離，S卩，使未摻雜的InP包層14厚度適當， 從而能夠抑制光吸收造成的損失。這樣，在本實施方式中，在不損害n-i-n結構的半導體光 調制器的特點的情況下，能夠實現(xiàn)對電場的耐壓特性優(yōu)良、低損失、穩(wěn)定工作的半導體光調 制器。
另外，在本實施方式中，雖然使用了 InP包層12、半導體芯層13、InP包層14的疊 層體作為半導體光波導層，但不限于此。S卩，雖然在半導體芯層13的上下設置有未摻雜的 InP包層12及14，但也可以是InP包層12及14哪個沒有、或者兩者都沒有的結構。在本 實施方式中，如果能夠對光進行導波就可以，作為半導體光波導層，包括僅半導體芯層的形 態(tài)、在半導體芯層上下的至少一側設置未摻雜的包層的形態(tài)的任意一個。此外，未摻雜的 InP包層12及14比半導體芯層13帶隙設定得寬。例如，即使由InGaAsP層或InAlGaAs層 等形成，當然也沒關系。
另外，在本實施方式中，重要的是在半導體光波導層和第二 η型半導體包層之間 設置導帶不連續(xù)的勢壘層。因此，在本實施方式中，半導體包層及第二 η型半導體包層的 材料分別不限于p-InAlAS、n-hP，可以對半導體包層及第二 η型半導體包層的材料進行選 擇，以使半導體包層和第二 η型半導體包層異質結合，且半導體包層的電子親和力比第二 η 型半導體包層的電子親和力小。此外，對于半導體包層而言，如果能夠形成導帶不連續(xù)的勢 壘層，則不進行P型摻雜也可以。
此外，當考慮到對本實施方式涉及的波導結構施加的電壓為反向偏壓時，雖然對 半導體光波導層(圖2中InP包層14)和作為勢壘層的半導體包層沒有特別地限制，但優(yōu) 選地，半導體包層的電子親和力比半導體光波導層(圖2中InP包層14)的電子親和力小。
那么，在高速的光調制器的實現(xiàn)中，行波型電極結構是有用的。因此，在電極17、 18中也可以適用行波型電極。在該行波型電極結構中，光調制器中的阻抗匹配、光和電的 速度匹配變得很重要。該阻抗匹配和速度匹配可通過控制光調制器的光波導的容量成分來 實現(xiàn)。即，適當設計作為未摻雜層的半導體光波導層19(半導體芯層13及其上下的未摻雜 InP包層12、14)的總厚度和波導寬度變得很重要。
作為具體的阻抗匹配條件，可以允許從作為外部電路的特定阻抗的50Ω 士 10Ω 左右的誤差。通常，由于希望光調制器能夠以低電壓驅動，所以優(yōu)選地，只要不使未摻雜層 的光限制系數(shù)極其小，就盡可能地使未摻雜層的總厚度變薄(通過這樣做，容量變大)。但 是，由于光調制器的特性阻抗，定性地與容量的平方根成反比例，所以當未摻雜層過薄時， 特性阻抗就會變得過小。避免這種情況的一個方法是，將半導體光波導層的寬度變細，但如 果過細，則有可能導致光傳播損失的增大和成品率的下降。
另一方面，基于速度匹配程度的頻帶用下式表示。
[數(shù)1]
Af ^ 1. 4C/π |ηορ -ημ |L
在此，C為光速，n。pt為群折射率，ημ為電折射率(電気◎屈折率)，L為電極長度。
光的群折射率n。pt為3. 4 3. 7左右，由所希望的頻帶和電極長度決定容許的電 折射率的范圍。例如，當帶域為40GHz、電極長度為3mm時，光的群折射率和電折射率之差 為士 1.1左右。另外，當定性地加大半導體光波導層的容量時，電的速度(電気O速度) 變慢，即，電折射率變大。考慮到滿足這些上述例舉的所有條件時，優(yōu)選地，光波導寬度為1.2^111 2.511111左右，未摻雜層(半導體光波導層)的總厚度為0. 4 μ m 2. 0 μ m左右。
(實施例)
在下面所示的實施例中，InP用于第一及第二 η型半導體包層中。在作為起到 電子的勢壘作用的半導體包層中，使用P型的InAlAs層(P-InAlAs層16)，將其層厚設為 0. 05 μ m、摻雜密度設為lX1018cm_3。此外，將半導體光波導層19即未摻雜層的總厚度設為 0.9ymo此外，將半導體光波導層19的寬度設為1.6μπι。
圖4 圖6示出了使用上述參數(shù)制作的馬赫-策德爾調制器的特性。圖4示出了 在電極17和電極18之間，對電極18施加負電壓時(反向偏壓)的電壓-電流特性圖。由 圖4可知，示出了 15V以上的足夠的耐壓特性。
此外，圖5示出了相位調制區(qū)域的長度為3mm的E/E高頻響應特性。由圖5可知， 作為頻帶基準的6dB往下的頻率為40GHz以上，40(ibit/S的調制有足夠的頻帶。
并且，圖6實際上是以1.3Vpp推挽工作的40Gbit/s的眼形曲線圖。通過圖8可 確認清晰的眼圖張開度。如此可知，本實施例涉及的馬赫-策德爾調制器可以作為高速光 調制器使用。
(第二實施方式)
圖7是本實施方式涉及的半導體光調制器的波導結構的能帶圖。
本實施方式涉及的半導體光調制器的基本結構與第一實施方式相同，省略其說 明。本實施方式與第一實施方式的不同點是，在作為第二 η型半導體包層的n-InP包層16 和作為勢壘層的P-InAlAs層15之間插有第三η型半導體包層20，與作為第二 η型半導體 包層的n-InP包層16相比，第三η型半導體包層20對空穴的勢能小。該第三η型半導體 包層20，例如可通過適當?shù)卦O定InGaAsP層和InGaAlAs層等中的組成來形成。
由此，半導體芯層13中的、工作時稍微因光吸收產(chǎn)生的空穴不積聚在ρ-InAlAs層 15，而是落入第二 η型半導體包層20。由于落入的空穴能夠與第三η型半導體包層20內(nèi)的 電子迅速地再結合，所以可以抑制由空穴的積聚引起的勢壘的降低。即，利用此結構，能夠 提供一種對電場的耐壓特性更優(yōu)良、可穩(wěn)定工作的半導體光調制器。
(第三實施方式)
在本實施方式中，對使用了第一及第二實施方式中說明的波導結構(相位調制波 導)的馬赫-策德爾型光調制器進行說明。本實施方式涉及的馬赫-策德爾型光調制器40 具有第一及第二實施方式中說明的波導結構。
在圖8中，在作為將輸入光分為2路的裝置的MMI (Multi-Mode Interference 多 模干涉)耦合器4 的2個輸出端上分別連接有本發(fā)明一個實施方式涉及的相位調制器波 導41a及41b。相位調制波導41a及41b的輸出端分別連接到作為對2路輸入光進行合波 的裝置的MMI耦合器42b的2個輸入端。此外，在形成于基板上的第一 η型半導體包層的 預定區(qū)域設有電極43，在相位調制波導41a及41b上的預定區(qū)域設有電極44。在本實施方 式中，將相位調制波導41a及41b的長度L (相位調制區(qū)域)設為3mm。
在這種結構中，當從MMI耦合器4 一側的輸入端輸入光時，利用MMI耦合器4 將該輸入光分為2路，分支光分別受相位調制波導41a及41b引導。此時，根據(jù)通過電極 43,44施加到相位調制波導41a及41b的相位調制區(qū)域的電壓，對通過相位調制波導41a、 41b的分支光的相位進行調制。被調制的光由MMI耦合器42b進行合波，從MMI耦合器42b一側的輸出端輸出。
根據(jù)本實施方式，在不損害n-i-n結構的半導體光調制器的特點的情況下，能夠 提供一種對電場耐壓特性優(yōu)良、可穩(wěn)定工作的馬赫-策德爾型光調制器。
(第四實施方式)
本實施方式涉及的用于光調制器中的光調制波導，將與作為半導體包層(阻擋 層)的半絕緣型包層相接的第二 η型半導體包層的一部分、或第二 η型半導體包層和半絕 緣型包層(半導體包層)的一部分作為具有P型導電性的P型半導體區(qū)域。此P半導體區(qū) 域在光調制波導的光行進方向上被反復配置多個。輸入光在半導體光波導層中被吸收而產(chǎn) 生的空穴，通過此P型半導體區(qū)域，從與第二 η型半導體包層共同的電極中被引出。由此， 可以防止或減少在作為阻擋層的半絕緣型包層中積聚空穴。由于能夠不引起空穴的積聚或 減少空穴的積聚，因而能夠抑制漏泄電流的產(chǎn)生、和施加在光波導芯層上的電壓的下降。
因此，本發(fā)明的目的之一是改善調制特性根據(jù)向光調制器輸入的光的波長和光強 度而變化的問題點，可以實現(xiàn)調制器的穩(wěn)定工作。
圖9是根據(jù)本實施方式構成的半導體光調制器的波導結構。在半絕緣InP基板51 上具有依次層疊了 η-ΙηΡ包層52 (第一 η型半導體包層)、半導體芯層53、半絕緣型包層 (作為勢壘層的半導體包層)54及η-ΙηΡ包層(第二 η型半導體包層)55_1的疊層結構。 在光調制波導部中，在光行進方向上，將一定長度區(qū)間的、與半絕緣型包層M相接的η-^Ρ 包層55-1和半絕緣型包層M的一部分作為具有ρ型導電性的ρ型半導體區(qū)域55-2a 55-2d。設置與此ρ型半導體區(qū)域55-2a 55_2d及η-ΙηΡ包層55_1共同電連接的電極 56。此ρ型半導體區(qū)域，遍及整個光調制波導，在光行進方向上反復配置。在圖9中，雖然 以一定間隔反復配置，但不限于一定間隔的反復配置。即，也可以按隨機的間隔進行配置。 此外，在圖9中，雖然只記載了 4個ρ型半導體區(qū)域，但并不僅限于4個，遍及整個光調制波 導，可以反復配置多個P型半導體區(qū)域。
另外，在本實施方式中，雖然使用高臺面波導結構作為波導結構，但不限于此，也 可以使用脊形波導結構。
例如，可以通過在使從η-ΙηΡ包層52到η-ΙηΡ包層55_1的層生長后，通過蝕刻去 除相當于P型半導體區(qū)域陽-加 55-2d的部分，使P型InP半導體區(qū)域再生長來形成此ρ 型半導體區(qū)域55- 55-2d。此外，也可以通過在η-ΙηΡ包層55_1的一部分中利用離子 注入法導入Be受主來形成。但是，優(yōu)選地，ρ型半導體區(qū)域55-2a 55-2d不突出到半導 體芯層53。作為此ρ型半導體區(qū)域的、光行進方向的長度例如可設為50 μ m以下。此外，ρ 型半導體區(qū)域相互的間隔例如可設為200 μ m以下。
在η-ΙηΡ包層55_1和η-ΙηΡ包層52之上，分別配置有作為金屬電極的電極56和 電極57a、57b。使電極56相對于電極57a、57b為負的極性，對半導體芯層53施加電壓。電 極56與η-ΙηΡ包層55_1和ρ型半導體區(qū)域55- 55_2d兩者共同電接觸。
在本實施方式中，為了減輕因半導體芯層53中的光吸收而產(chǎn)生的空穴對作為阻 擋層的半絕緣型包層M的影響，使上述空穴通過P型半導體區(qū)域55- 55-2d流入電極 56。像這樣，由于上述空穴流向電極56，所以空穴不會積聚在半絕緣型包層M中，或能夠減 輕空穴的積聚。因此，由于能夠防止或減少向半絕緣型包層M的積聚，從而可以維持半絕 緣型包層M的勢壘，或者可以減少勢壘的下降。
在本實施方式中，電極56，除了作為通過對半導體芯層施加電壓來施加電信號的 裝置起作用外，還作為吸取空穴的裝置起作用。此時，為了使電極56具有吸取空穴的功能， 在半絕緣型包層M和電極56之間需要有空穴通過的路徑，ρ型半導體區(qū)域55- 55-2d 作為此路徑起作用。即，通過電極56和ρ型半導體區(qū)域55-2a 55_2d，處于半絕緣型包 層M的空穴向半絕緣型包層M的外部移動，從而能夠減輕空穴對作為阻擋層的半導體包 層(半絕緣型包層的影響。
另外，為了使ρ型半導體區(qū)域作為從半絕緣型包層M通向電極56的空穴的路徑 (用于從半絕緣型包層M取出空穴的路徑)而起作用，優(yōu)選地使P型半導體區(qū)域55_2a 55-2d和電極56相接觸。此外，在圖9中，雖然ρ型半導體區(qū)域55- 55_2d形成于半絕 緣型包層M的一部分上，但并不限于此。即，在本實施方式中，重要的是使半絕緣型包層M 內(nèi)的空穴流向電極56，重要的是使ρ型半導體區(qū)域55- 55-2d作為上述空穴的路徑起 作用。因此，也可以不將P型半導體區(qū)域形成到半絕緣型包層M的一部分上，而是按照使 P型半導體區(qū)域與半絕緣型包層M相接的方式來形成。此外，如果P型半導體區(qū)55- 55-2d作為上述空穴的路徑適當?shù)仄鹱饔?，則ρ型半導體區(qū)域也可以不與半絕緣型包層M 相接。
此外，在本實施方式中，使施加電信號用的電極和吸取空穴用的電極通用。即，電 極56具有用于施加電信號的功能和用于吸取空穴的功能。如此，通過使電極通用，由于能 夠簡化裝置，此外還可以簡化制造工藝，所以優(yōu)選。但是，不限于此，也可以分別設置用于施 加電信號的電極和用于吸取空穴的電極。例如，也可以在n-InP包層55-1未形成電極56 的側面設置吸取空穴用的電極。
使用上述結構的光波導作為光調制波導，如以下所述那樣，使光調制器工作。相對 于圖9所示的臺面結構的截面(端面)在垂直方向上使光射入，使光傳送到光調制波導。在 此狀態(tài)下，將電信號輸入到電極56，在n-InP包層52和n-InP包層55_1間施加電信號電 壓。摻雜在半絕緣型包層M內(nèi)的狗原子充當深能級的受主。為此，如圖12所說明的那樣， 可以提高價帶的能量，可以充當對電子的勢壘。通過該勢壘可以抑制來自n-InP包層55-1 的電子注入。因此，在從電極57a、57b流出的漏泄電流很少產(chǎn)生的狀態(tài)下，能夠對半導體芯 層53施加電信號電壓，根據(jù)電光效應進行光相位的調制。
接著，對表示本實施方式中特有的效果的ρ型半導體區(qū)域55_2a 55_2d的工作 進行說明。與n-InP包層55-1共同地電連接的ρ型半導體區(qū)域55- 55_2d具有以下 作用。即，在現(xiàn)有的光調制波導結構中，如圖12中所述的那樣，由于因半導體芯層53的光 吸收而積聚的空穴，產(chǎn)生了寄生光晶體管效應。但是，借助于作為本實施方式特征部分的 P型半導體區(qū)域55-2a 55-2d，空穴從作為阻擋層的半絕緣型包層M向ρ型半導體區(qū)域 55- 55-2d流入，從而能夠抑制作為阻擋層的半絕緣型包層M中的空穴的積聚。因此， 上述寄生光晶體管效應受抑制，從而能夠抑制光調制器的調制特性的變化。
另外，盡管在本實施方式中配置有多個ρ型半導體區(qū)域，但不限于此，也可以只配 置一個P型半導體區(qū)域。在本實施方式中，重要的是確立空穴從絕緣型包層流向電極用的 路徑，所以如果能夠確立上述路徑，則P型半導體區(qū)域的數(shù)量就不是必需的。即，在本實施 方式中，配置至少一個P型半導體區(qū)域就可以。
但是，如圖9所示，當配置多個ρ型半導體區(qū)域55_2a 55_2d時，對于n-InP包層55-1中未形成ρ型半導體區(qū)域55- 55-2d的區(qū)域而言，位于遠離某一 ρ型半導體區(qū) 域的區(qū)域處的空穴，由于被從上述某一 P型半導體區(qū)域相鄰的P型半導體區(qū)域吸上來，因而 可以遍及整個光調制波導部均勻地將空穴吸上來。因此，配置多個P型半導體區(qū)域是優(yōu)選 的方式。
(第五實施方式)
圖10是本實施方式涉及的半導體馬赫-策德爾調制器的示意圖。馬赫-策德爾 調制器具有2條n-i-n結構的光波導。2條光波導的一部分，分別包含相位調制波導62a、 62b，在該相位調制波導62a、62b中使用圖9所示結構的半導體光調制波導。相位調制波導 62a、62b分別在2個部位與光合分波器65a、6^連接。光合分波器6 還連接到輸入波導 61，另一個光合分波器6 還連接到輸出波導63。輸入光向輸入波導61輸入，輸出光從輸 出波導63輸出。
通過上述這種結構的馬赫-策德爾干涉計可以進行光的強度調制。即，從輸入波 導61之一輸入的輸入光被光合分波器6 分向2條相位調制波導62a、62b。在各相位調制 波導62a、62b中進行相位調制后，再由光合分波器6 進行合成。通過從共平面形波導輸 入的電信號，使相位調制波導62a、62b的折射率改變來調制波導中的光信號的相位。在相 位調制波導62a、62b被相位調制的各信號光，在光合分波器6 被干涉、合成，作為被強度 調制的輸出光從輸出波導63之一輸出。為了高速地進行光調制，在施加作為調制信號的高 頻電場的電極中，采用共平面形波導64的結構。
在上述的相位調制波導62a、62b中，使用第四實施方式中說明的具有本發(fā)明特征 的P型半導體區(qū)域的n-i-n結構的光調制波導。在本實施方式的半導體相位調制波導62a、 62b中，由于在光波導的一部分中包括ρ型半導體區(qū)域，從而空穴不會積聚在作為阻擋層的 半絕緣型包層中，或者空穴的積聚被減輕。因此，寄生光晶體管效應不會產(chǎn)生，或者能夠抑 制產(chǎn)生，從而可以抑制漏泄電流的產(chǎn)生、和施加到光波導芯層的電壓的下降。其結果，能夠 改善調制特性根據(jù)輸入到光調制器的光的波長和光強度而變化的問題點，從而可以實現(xiàn)調 制器的穩(wěn)定工作。
權利要求
1.半導體光調制器，具有依次層疊第一η型半導體包層、半導體芯層、半絕緣型的半 導體包層、和第二 η型半導體包層而形成的光波導結構，其特征在于，包括至少1個P型半導體區(qū)域，其為具有P型導電性的區(qū)域，并且形成于在所述波導結構的 光行進方向上具有一定長度區(qū)間的、至少所述第二 η型半導體包層的一部分或全部上；以 及電極，形成于所述P型半導體區(qū)域之上，并電連接到所述P型半導體區(qū)域。
2.根據(jù)權利要求1所述的半導體光調制器，其特征在于，所述P型半導體區(qū)域，形成于 在所述波導結構的光行進方向上具有一定長度區(qū)間的、所述第二 η型半導體包層及與所述 第二 η型半導體包層相接的所述半導體包層的一部分上。
3.根據(jù)權利要求1所述的半導體光調制器，其特征在于，所述電極，形成于所述P型半 導體區(qū)域及所述第二 η型半導體包層上，所述P型半導體區(qū)域及所述η型半導體包層共同 地電連接到所述電極。
4.根據(jù)權利要求1所述的半導體光調制器，其特征在于，所述波導結構為高臺面波導 結構或脊形波導結構。
5.根據(jù)權利要求1所述的半導體光調制器，其特征在于，還包括分支裝置，將入射光分為2路并從兩個輸出端分別輸出，其中，所述兩個輸出端分別連 接到各所述波導結構的輸入端；以及合波裝置，與2個所述波導結構分別連接，對從該2個波導結構輸出的光進行合波并輸出ο
6.根據(jù)權利要求1所述的半導體光調制器，其特征在于，還包括第二電極，其形成于所 述第一 η型半導體包層未形成所述半導體芯層的區(qū)域上，所述電極形成于所述P型半導體區(qū)域及所述第二 η型半導體包層上， 所述電極及第二電極為行波型電極結構。
全文摘要
提供一種具有n-i-n結構半導體光調制器的特點、又能穩(wěn)定工作，而且對電場的耐壓性優(yōu)良的半導體光調制器。其包括依次層疊n型InP包層(11)、具有電光效應的半導體芯層(13)、p-InAlAs層(15)、以及n型InP包層(16)而形成的波導結構。p-InAlAs層(15)的電子親和力小于n型InP包層(16)的電子親和力。在如此構成的波導結構中，還可以分別在n型InP包層(11)和半導體芯層(13)之間設置未摻雜的InP包層(12)，在半導體芯層(13)和p-InAlAs層(15)之間設置未摻雜的InP包層(14)。
文檔編號G02F1/017GK102033333SQ20101057343
公開日2011年4月27日 申請日期2006年3月8日 優(yōu)先權日2005年3月8日
發(fā)明者山田英一, 菊池順裕, 都筑健 申請人:日本電信電話株式會社