半導(dǎo)體光調(diào)制器以及光模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光調(diào)制器以及光模塊，其目的在于提供一種能夠使α參數(shù)接近0的技術(shù)。多量子阱構(gòu)造(11)具備包括第1阻擋層(11a)、中間層(11b)、阱層(11c)以及第2阻擋層(11d)的層構(gòu)造(11s)。第1阻擋層以及第2阻擋層(11a、11d)的導(dǎo)帶能量、中間層(11b)的導(dǎo)帶能量、阱層(11c)的導(dǎo)帶能量按照該順序變大，中間層(11b)的價帶能量、阱層(11c)的價帶能量、第1阻擋層以及第2阻擋層(11a、11d)的價帶能量按照該順序變大。
【專利說明】
半導(dǎo)體光調(diào)制器以及光模塊
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及例如較多地在干線系統(tǒng)的長距離光通信中使用的半導(dǎo)體馬赫-曾德爾 調(diào)制器等半導(dǎo)體光調(diào)制器以及光模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光通信系統(tǒng)中使用的光調(diào)制器中，大致劃分有強(qiáng)度調(diào)制用的電場吸收型(EA)調(diào) 制器和相位調(diào)制用的馬赫-曾德爾(MZ)調(diào)制器。在MZ調(diào)制器中，相比于EA調(diào)制器，能夠減小 波長的啁嗽(chirp)(波長變動），所以MZ調(diào)制器特別適用于長距離傳送。
[0003] MZ調(diào)制器被分為利用基于普克爾效應(yīng)的折射率變化的由LiNb〇3 (LN)材料構(gòu)成的 MZ調(diào)制器(LN-MZ調(diào)制器）以及利用與光吸收變化相伴的折射率變化的、由半導(dǎo)體材料中的 特別是通過量子限制斯塔克效應(yīng)而增大了折射率變化的半導(dǎo)體多量子阱構(gòu)造構(gòu)成的MZ調(diào) 制器(半導(dǎo)體MZ調(diào)制器）。
[0004] 在LN-MZ調(diào)制器中，可忽略驅(qū)動時的光吸收，所以調(diào)制損失小，但2Vjt(V3T是半波長 電壓)最大為6V左右，比較大。另一方面，在半導(dǎo)體MZ調(diào)制器中，2Vjt最大為3V左右，比LN-MZ 調(diào)制器小，但在動作時發(fā)生光吸收，所以傳送時的調(diào)制損失大。在光調(diào)制器中，調(diào)制損失越 小，對傳送越有利，并且半波長電壓V3T越小，越能夠削減功耗。因此，對于光調(diào)制器，要求調(diào) 制損失小并且半波長電壓V3I小。另外，在例如非專利文獻(xiàn)1中公開了半導(dǎo)體多量子阱構(gòu)造。
[0005] 非專利文獻(xiàn)1:C.Rolland et al，"10Gbit/s，1 ? 56um multi quantum well InP/ InGaAsP Mach-Zehnder optical modulator',ElectronicsLetters,March 1993,vol.29, No.5,pp.471-472(Fig.l)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 即使是相比于EA調(diào)制器能夠減小波長的啁嗽（波長變動）的MZ調(diào)制器，在LN-MZ調(diào) 制器和半導(dǎo)體MZ調(diào)制器中，波長的啁嗽(波長變動）的電壓依賴性也有差異。
[0007] 在LN-MZ調(diào)制器中，引起基于普克爾效應(yīng)的折射率變化，所以一般來說，相對于逆 偏置電壓，折射率線性地變化。另一方面，在半導(dǎo)體MZ調(diào)制器中，通過量子限制斯塔克效應(yīng) 而引起折射率變化，所以相對于逆偏置電壓，折射率并非線性而是非線性地變化。
[0008] 關(guān)于半導(dǎo)體MZ調(diào)制器，由于這樣的折射率相對于逆偏置電壓的非線性，作為表示 啁嗽(波長變動)特性的指標(biāo)的a參數(shù)不為〇。因此，半導(dǎo)體MZ調(diào)制器相比于LN-MZ調(diào)制器，存 在關(guān)于啁嗽特性不利這樣的課題。
[0009] 因此，本發(fā)明是鑒于上述那樣的問題而完成的，其目的在于提供一種能夠使a參數(shù) 接近〇的技術(shù)。
[0010] 本發(fā)明的半導(dǎo)體光調(diào)制器，具備：半導(dǎo)體基板;半導(dǎo)體多層構(gòu)造，包含于形成于所 述半導(dǎo)體基板上并且光的相位根據(jù)電壓而變化的光波導(dǎo)中。所述半導(dǎo)體多層構(gòu)造具備:P型 包層以及N型包層；以及多量子阱構(gòu)造，夾在所述P型包層與所述N型包層之間。所述多量子 阱構(gòu)造包括層構(gòu)造，該層構(gòu)造包括:第1阻擋層，具有第1帶隙；中間層，與所述第1阻擋層的 所述N型包層側(cè)的部分連接，具有比所述第1帶隙小的第2帶隙；阱層，與所述中間層的所述N 型包層側(cè)的部分連接，具有比所述第2帶隙小的第3帶隙；以及第2阻擋層，與所述阱層的所 述N型包層側(cè)的部分連接，具有所述第1帶隙。所述第1阻擋層以及第2阻擋層的導(dǎo)帶能量比 所述中間層的導(dǎo)帶能量大，所述中間層的導(dǎo)帶能量比所述阱層的導(dǎo)帶能量大。所述中間層 的價帶能量比所述阱層的價帶能量大，所述阱層的價帶能量比所述第1阻擋層以及第2阻擋 層的價帶能量大。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，能夠使逆偏置電壓和雙折射率變化的關(guān)系實質(zhì)地移動，所以能夠提 高線性，能夠使a參數(shù)接近0。
【附圖說明】
[0012]圖1是示出關(guān)聯(lián)MZ調(diào)制器的概略結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0013] 圖2是示出關(guān)聯(lián)MZ調(diào)制器中的光輸出的推挽電壓依賴性的圖。
[0014] 圖3是示出關(guān)聯(lián)MZ調(diào)制器的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0015] 圖4是示出LN-MZ調(diào)制器中的折射率變化量和逆偏置電壓的關(guān)系的圖。
[0016] 圖5是示出半導(dǎo)體MZ調(diào)制器中的折射率變化量和逆偏置電壓的關(guān)系的圖。
[0017]圖6是示出半導(dǎo)體MZ調(diào)制器中的相位和逆偏置電壓的關(guān)系的圖。
[0018] 圖7是示出簡單的量子阱構(gòu)造的能帶圖的圖。
[0019] 圖8是示出實施方式1的多量子阱構(gòu)造的能帶圖的圖。
[0020] 圖9是示出與實施方式1關(guān)聯(lián)的能帶圖的圖。
[0021] 圖10是示出與實施方式1關(guān)聯(lián)的能帶圖的圖。
[0022] 圖11是示出實施方式2的多量子阱構(gòu)造的能帶圖的圖。
[0023] 圖12是示出實施方式2的一個層構(gòu)造的能帶圖的圖。
[0024] 圖13是示出實施方式2的半導(dǎo)體光調(diào)制器中的相位變化量和推挽電壓的關(guān)系的 圖。
[0025] 圖14是示出實施方式2的半導(dǎo)體光調(diào)制器中的光損失量和推挽電壓的關(guān)系的圖。
[0026] 圖15是示出實施方式2的半導(dǎo)體光調(diào)制器中的a參數(shù)和推挽電壓的關(guān)系的圖。
[0027] 圖16是示出實施方式2的半導(dǎo)體光調(diào)制器中的光損失量和波長的關(guān)系的圖。
[0028] 圖17是示出實施方式2的一個層構(gòu)造的能帶圖的圖。
[0029] 圖18是示出實施方式2的一個層構(gòu)造的能帶圖的圖。
[0030] 圖19是示出實施方式3的光模塊的結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0031] 符號說明
[0032] 10 :N型包層；11:多量子阱構(gòu)造；11a:第1阻擋層；lib:中間層；llbl:第1中間層； 1 lb2:第2中間層;11c:講層;lid:第2阻擋層;11s:層構(gòu)造;12:P型包層。
【具體實施方式】
[0033]〈關(guān)聯(lián)MZ調(diào)制器〉
[0034] 首先，在說明本發(fā)明的實施方式1的半導(dǎo)體光調(diào)制器之前，說明與其關(guān)聯(lián)的MZ調(diào)制 器（以下記載為"關(guān)聯(lián)MZ調(diào)制器"）。
[0035] 圖1是示出關(guān)聯(lián)MZ調(diào)制器的概略結(jié)構(gòu)的俯視圖。關(guān)聯(lián)MZ調(diào)制器具備分支部102、分 支波導(dǎo)103、合波部104、入射光波導(dǎo)105、出射光波導(dǎo)106、具有信號電極13以及電極14的相 位調(diào)制部107以及相位調(diào)整部108。
[0036]入射到入射光波導(dǎo)105的光在分支部102處被分支為2部分，通過上下配設(shè)的分支 波導(dǎo)103。該分支波導(dǎo)103的長度是例如3mm。如果在設(shè)置于上下的分支波導(dǎo)103的各相位調(diào) 制部107中施加逆偏置電壓，則通過相位調(diào)制部107的光的相位變化。受到相位變化的分支 之后的光在通過相位調(diào)整部108之后在合波部104中進(jìn)行合波。如果是成為合波的對象的分 支之后的光的相位一致的狀態(tài)，則從出射光波導(dǎo)106出射的出射光的光輸出成為最大。
[0037] 具體而言，在設(shè)置于2個分支波導(dǎo)103的2個相位調(diào)制部107的每一個中，對信號電 極13以及電極14之間施加 DC偏置電壓（中心偏置電壓），并且在2個相位調(diào)制部107之間施加 符號反轉(zhuǎn)的RF電壓(推挽電壓），從而進(jìn)行推挽動作。另外，例如為了使抗噪聲性優(yōu)良，將電 極14作為接地電極而配設(shè)于分支波導(dǎo)103上的信號電極13的兩側(cè)。
[0038] 圖2是示出關(guān)聯(lián)MZ調(diào)制器中的光輸出的推挽電壓依賴性的圖。在圖2中，橫軸表示 推挽電壓A V(V)，縱軸表示光輸出(dB)。
[0039]在推挽電壓是0V時，對各分支波導(dǎo)103僅施加 DC偏置電壓。此時，在圖1所示的配設(shè) 于2個分支波導(dǎo)103的2個相位調(diào)整部108的一方中光的相位變化了31，在另一方中光的相位 不變化，在合波部104中要合波的光的相位(分支波導(dǎo)103的出射光的相位)成為相互偏移了 n的狀態(tài)。其結(jié)果，來自出射光波導(dǎo)106的光輸出成為最小，相當(dāng)于圖2中的點Z的輸出。
[0040]另一方面，在施加了推挽電壓的情況下，在合波部104中合波的光的相位的偏移為 31以外的狀態(tài)。其中，在合波部104中合波的光的相位一致的情況下，來自出射光波導(dǎo)106的 光輸出成為最大，相當(dāng)于圖2中的點X以及點Y的輸出。
[0041 ]另外，在圖2中，用寬度P表示點Z至點Y的推挽電壓的變化量，用寬度Q表示0 (dB)的 光輸出與點X或者點Y處的光輸出之間的差分量，用點R表不從點Y減少了 3 (d B)的光輸出的 點。
[0042 ]在光輸出成為最大的點X以及點Y處，在合波部104中合波的光的相位一致、即入射 到各相位調(diào)整部108的光彼此的相位偏移了 JT。另一方面，在光輸出成為最小的點Z處，入射 到各相位調(diào)整部108的光彼此的相位一致。這樣，在調(diào)制中使用光的相位差的是相位調(diào)制， 通過相位調(diào)制部107調(diào)整該相位差。另外，將使出射光的相位變化31所需的RF電壓(推挽電 壓)的一半稱為半波長電壓Vjt，將光輸出成為最大時的從OdB開始的偏移稱為調(diào)制損失。
[0043] 另外，作為以上那樣的關(guān)聯(lián)MZ調(diào)制器，存在利用基于普克爾效應(yīng)的折射率變化的 由LiNb03(LN)構(gòu)成的MZ調(diào)制器(LN-MZ調(diào)制器)和利用基于量子限制斯塔克效應(yīng)的折射率變 化的由半導(dǎo)體多量子阱構(gòu)造構(gòu)成的MZ調(diào)制器(半導(dǎo)體MZ調(diào)制器）。
[0044] 在LN-MZ調(diào)制器中，驅(qū)動時的光吸收可忽略，所以調(diào)制損失小，但2Vjt(VJT是半波長 電壓)最大為6V左右，比較大。另一方面，在半導(dǎo)體MZ調(diào)制器中，2Vjt最大為3V左右，比LN-MZ 調(diào)制器小，但在動作時發(fā)生光吸收，所以傳送時的調(diào)制損失大。在光調(diào)制器中，調(diào)制損失越 小，對傳送越有利，并且半波長電壓V3T越小，越能夠削減功耗。因此，對于光調(diào)制器，要求調(diào) 制損失小、并且半波長電壓V3I小。
[0045] 圖3是圖1的關(guān)聯(lián)MZ調(diào)制器的波導(dǎo)(相位調(diào)制部107)中的A-A'的剖面圖。具體而言， 是半導(dǎo)體MZ調(diào)制器的剖面圖。形成于相當(dāng)于半導(dǎo)體基板的半絕緣InP基板9上的相位調(diào)制部 107具備P摻雜了的P型包層12、N摻雜了的N型包層10、由絕緣體的活性層構(gòu)成且交替層疊了 阱層和墊皇層的多量子阱構(gòu)造11、信號電極13以及電極14。多量子阱構(gòu)造11被夾在P型包層 12與N型包層10之間，相位調(diào)制部107具有P-I-N構(gòu)造(這樣的構(gòu)造記載于例如非專利文獻(xiàn) 1)。另外，在圖3的例子中，信號電極13配設(shè)于P型包層12上，電極14配設(shè)于位于多量子阱構(gòu) 造11等的兩側(cè)的N型包層10上。
[0046] 在關(guān)聯(lián)MZ調(diào)制器中，能夠用下式（1)表示作為表示對傳送特性造成影響的啁嗽(波 長變動)特性的指標(biāo)的a參數(shù)。另外，在式（1)中，A V是推挽電壓，I是輸出光(通過合波得到 的合波光）的強(qiáng)度，巾是輸出光的相位。另外，在將圖1的上側(cè)的分支波導(dǎo)103設(shè)為支路1、將 下側(cè)的分支波導(dǎo)103設(shè)為支路2的情況下，是對支路1以及支路2施加的施加逆偏置電 壓。
[0047] 【式1】
[0049] 能夠用下式(2)表不輸出光(合波光）的電場振幅E。。另外，在式(2)中，Ei是輸入光 的電場振幅，A、B是與通過支路1以及支路2的光的吸收相伴的電場振幅，(^、巾 2是支路1以 及支路2的相位，y是兩個支路的光的分支比。
[0050] 【式2】
[0052] 此處，能夠用下式(3)表示電場振幅A、B、相位<i>i、巾2。另外，在式(3)中，Ani、An2 是支路1以及支路2的折射率，aabsl、aabs2是支路1以及支路2的吸收，A是入射到光調(diào)制器的光 的波長，L是波導(dǎo)上的相位調(diào)制部107的長度，r是相位調(diào)制部107中的調(diào)制層和光剖面的重 疊積分。
[0053]【式3】
[0058]進(jìn)而，根據(jù)式(2)中的虛數(shù)和實數(shù)之比，能夠如下式(4)以及下式(5)那樣表示輸出 光的強(qiáng)度I以及相位傘。
[0063] 另外，在中心偏置電壓V。、支路1以及支路2的逆偏置電壓Vi、V2、推挽電壓A V之間 存在下式(6)的關(guān)系。
[0064] 【式6】
[0065] Vi = Vc+A V,V2 = Vc-A V ???(6)
[0066] 在LN-MZ調(diào)制器中，引起基于普克爾效應(yīng)的折射率變化，所以一般如圖4所示，相對 于逆偏置電壓V，折射率線性地變化。此處，在圖4中，橫軸表示逆偏置電壓(V)，縱軸表示折 射率變化An。
[0067] 關(guān)于LN-MZ調(diào)制器，相比于半導(dǎo)體MZ調(diào)制器，吸收小到可忽略的程度，能夠?qū)⑹?2) 的A、B視為0。因此，如果能夠?qū)崿F(xiàn)使兩個支路的分支比Y成為1那樣的良好的波導(dǎo)，貝例如 使用某個常數(shù)k，如下式(7)那樣表示LN-MZ調(diào)制器的折射率的逆偏置電壓依賴性。
[0068] 【式7】
[0069] An = kV …⑴
[0070] 此時，能夠使用式(6)和式(7)，如下式(8)那樣表示上式(5)。
[0073] 在式(8)中，僅存在與中心偏置電壓V。有關(guān)的項，與推挽電壓A V有關(guān)的項在支路1 以及支路2中被消除，所以不存在。因此，可知當(dāng)用A V對式(8)的相位巾進(jìn)行微分時，成為0， 式(1)所示的a參數(shù)成為0。
[0074] 另一方面，在半導(dǎo)體MZ調(diào)制器中，通過量子限制斯塔克效應(yīng)，引起折射率變化，所 以相對于逆偏置電壓V，折射率不是線性地變化，而是如圖5所示非線性地變化。此處，在圖5 中，橫軸表示逆偏置電壓(V)，縱軸表示折射率變化A n。
[0075] 另外，在半導(dǎo)體MZ調(diào)制器中，吸收不可忽略，所以無法將式（2)的A、B視為0。因此， 與LN-MZ調(diào)制器的情況下的式(8)不同，在式(5)中留有與推挽電壓A V有關(guān)的項。因此，可知 當(dāng)用A V對式(5)的相位巾進(jìn)行微分時，不成為0,所以用式(1)表示的a參數(shù)不成為0。
[0076] 這表示在從圖2中的點Z朝向點X或者點Y變化時，被進(jìn)行了合波的光的相位變化。 這樣的相位的變化被考慮為成為在QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移鍵 控)調(diào)制、16QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調(diào)制）調(diào)制等中經(jīng)常使用的 表示相位和振幅的關(guān)系的星座圖中產(chǎn)生軌跡的失真、調(diào)制信號的劣化的原因。
[0077] 如以上那樣，半導(dǎo)體MZ調(diào)制器存在如下課題：由于折射率相對于逆偏置電壓的非 線性，a參數(shù)不成為〇,相比于LN-MZ調(diào)制器，對于啁嗽特性來說是不利的。相對于此，以下說 明的本實施方式1的半導(dǎo)體光調(diào)制器能夠解決以上那樣的問題。
[0078] 〈實施方式1>
[0079] 在LN-MZ調(diào)制器以及半導(dǎo)體MZ調(diào)制器中，直接地決定折射率變化的量不是電壓而 是電場。圖6的虛線針對在量子阱構(gòu)造中使用作為四元混晶半導(dǎo)體的AlGalnAs的結(jié)構(gòu)而示 出了逆偏置電壓與光的相位的典型的關(guān)系例子。在圖6中，橫軸表示逆偏置電壓(V)，縱軸表 示相位。另外，縱軸的相位與折射率變化A n對應(yīng)。
[0080] 如圖6所示，逆偏置電壓與相位(雙折射率變化）的關(guān)系不是直線，而是接近2次曲 線。但是，圖6的實線是假設(shè)為即便在相同的電壓下電場也變大而使虛線向低電壓側(cè)移動而 得到的線。在進(jìn)行了這樣的移動的情況下，考慮兩個優(yōu)點。
[0081] 以下，使用公式來說明該兩個優(yōu)點。在假設(shè)為折射率依賴于電壓的直到2次項為止 的情況下，當(dāng)將例如1次、2次項系數(shù)分別設(shè)為h、k 2(都是正值)時，圖6的虛線能夠如下式(9) 那樣表示。
[0082] 【式9】
[0083] A n = kiV+k2V2. . . (9)
[0084]使圖6的虛線向低電壓側(cè)移動了 Vo而得到的圖6的實線能夠如式(10)那樣表示。 [0085]【式10】
[0087] V的1次項系數(shù)在式(9)中是ki，相對于此，在式（10)中是比ki大的(ki+2k2V())。因此， 作為基于上述移動的第一個優(yōu)點，能夠減小用于針對相同的中心偏置電壓V。而得到目標(biāo)的 相位變化的推挽電壓△ V。
[0088] 另外，關(guān)于1次項系數(shù)相對于2次項系數(shù)的比例，式（10)比式(9)大。因此，作為基于 上述移動的第二個優(yōu)點，能夠提高線性。
[0089] 因此，在以下說明的本實施方式1的構(gòu)造中，即便在相同的電壓下也能夠?qū)嵸|(zhì)地增 大電場、即如式（10)那樣使逆偏置電壓與相位(雙折射率變化）的關(guān)系實質(zhì)地移動。在說明 該構(gòu)造之前，說明通常的構(gòu)造。圖7是在使用AlGalnAs的通常的光調(diào)制器中利用的量子阱構(gòu) 造(以下還有時記載為"簡單的量子阱構(gòu)造"）的能帶圖。
[0090] 圖7的構(gòu)造是由AlGalnAs構(gòu)成的被稱為阱層21c的能帶隙小的層夾在由AlGalnAs 構(gòu)成的被稱為第1阻擋層21a以及第2阻擋層21d的能帶隙大的層之間的構(gòu)造。另外，能夠通 過變更AlGalnAs的組成比來實現(xiàn)第1阻擋層21a以及第2阻擋層21d與阱層21c之間的能帶隙 之差。如果對具有圖7那樣的能帶圖的構(gòu)造施加電壓，則能帶變得傾斜。該傾斜的大小與電 場強(qiáng)度相當(dāng)。
[0091] 接下來，說明本實施方式1的半導(dǎo)體光調(diào)制器的構(gòu)造。另外，作為該半導(dǎo)體光調(diào)制 器，例如應(yīng)用半導(dǎo)體MZ調(diào)制器。
[0092] 本實施方式1的半導(dǎo)體光調(diào)制器的相位調(diào)制部107與圖3的關(guān)聯(lián)MZ調(diào)制器的相位調(diào) 制部107同樣地，具備P型包層12、N型包層10以及多量子阱構(gòu)造11。在本實施方式1中，多量 子阱構(gòu)造11的結(jié)構(gòu)與關(guān)聯(lián)MZ調(diào)制器不同。
[0093] 圖8是示出本實施方式1的多量子阱構(gòu)造 11的能帶圖的圖。
[0094] 多量子阱構(gòu)造 11具備包括第1阻擋層11a、中間層11b、阱層11c以及第2阻擋層lid 的層構(gòu)造11s。
[0095]第1阻擋層11a配設(shè)于P型包層12的附近，具有第1帶隙。作為第1阻擋層11a的材料， 例如使用AlGalnAs。
[0096] 中間層lib與第1阻擋層11a的N型包層10側(cè)的部分連接，具有比第1帶隙小的第2帶 隙。作為中間層lib的材料，例如使用與第1阻擋層11a不同的組成比的AlGalnAs。
[0097] 阱層11c與中間層lib的N型包層10側(cè)的部分連接，具有比第2帶隙小的第3帶隙。作 為阱層11 c的材料，例如使用InGaAsP。
[0098] 第2阻擋層lid與阱層11c的N型包層10側(cè)的部分連接，具有與第1阻擋層11a相同的 第1帶隙。作為該第2阻擋層lid的材料，應(yīng)用與第1阻擋層11a相同的材料。
[0099]在將第1阻擋層11a以及第2阻擋層lid的導(dǎo)帶能量設(shè)為Ecb、將中間層lib的導(dǎo)帶能 量設(shè)為Eci、將阱層11c的導(dǎo)帶能量設(shè)為Ecw的情況下，Ecb>ECi>EcW的關(guān)系成立。即，第1阻擋 層11a以及第2阻擋層lid的導(dǎo)帶能量Ecb比中間層lib的導(dǎo)帶能量Eci大，中間層lib的導(dǎo)帶 能量Ec i比講層11 c的導(dǎo)帶能量Ecw大。
[0100]另外，在將第1阻擋層11a以及第2阻擋層lid的價帶能量設(shè)為Evb、將中間層lib的 價帶能量設(shè)為Evi、將講層11c的價帶能量設(shè)為Evw的情況下，Evi>Evw>Evb的關(guān)系成立。即， 中間層lib的價帶能量Evi比講層11c的價帶能量Evw大，講層11c的價帶能量Evw比第1阻擋 層11a以及第2阻擋層lid的價帶能量Evb大。
[0101]〈實施方式1的總結(jié)〉
[0102] 以上那樣的本實施方式1的半導(dǎo)體光調(diào)制器具備半導(dǎo)體基板和形成于半導(dǎo)體基板 上的、并且光的相位根據(jù)電壓而變化的光波導(dǎo)中包含的半導(dǎo)體多層構(gòu)造。半導(dǎo)體多層構(gòu)造 具備P型包層12、N型包層10以及夾在P型包層12與N型包層10之間的多量子阱構(gòu)造11。多量 子阱構(gòu)造11具備層構(gòu)造，該層構(gòu)造包括具有第1帶隙的第1阻擋層11a;與第1阻擋層11a的N 型包層10側(cè)的部分連接且具有比第1帶隙小的第2帶隙的中間層lib;與中間層lib的N型包 層10側(cè)的部分連接且具有比第2帶隙小的第3帶隙的阱層11c;以及與阱層11c的N型包層10 側(cè)的部分連接且具有第1帶隙的第2阻擋層lid。第1阻擋層11a以及第2阻擋層lid的導(dǎo)帶能 量比中間層lib的導(dǎo)帶能量大，中間層lib的導(dǎo)帶能量比阱層11c的導(dǎo)帶能量大。中間層lib 的價帶能量比阱層11c的價帶能量大，阱層11c的價帶能量比第1阻擋層11a以及第2阻擋層 lid的價帶能量大。
[0103] 根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，中間層lib配置于阱層11c的P型包層12側(cè)(在施加逆偏置時電勢 變高的一側(cè)），中間層lib的導(dǎo)帶能量以及價帶能量都比阱層11c高。由此，關(guān)于被限制在被 第1阻擋層11a以及第2阻擋層lid夾著的中間層lib以及阱層11c中的電子以及空穴的能級、 波動函數(shù)，即使未被施加電場，如圖8的虛線所示，也與實質(zhì)上被施加電場的簡單的量子阱 構(gòu)造的能級、波動函數(shù)等同。其結(jié)果，即使未被施加電壓，也能夠如式（10)那樣使逆偏置電 壓與相位(雙折射率變化）的關(guān)系實質(zhì)地移動，所以作為上述兩個優(yōu)點中的一個，能夠提高 線性，能夠使a參數(shù)接近于〇。另外，作為上述兩個優(yōu)點的另一個，還能夠期待減小推挽電壓 A V〇
[0104] 另外，圖8那樣的構(gòu)造難以通過同一四元混晶來實現(xiàn)第1阻擋層11a和第2阻擋層 lld、中間層lib以及阱層11c。例如，在圖9中，作為第1阻擋層21a和第2阻擋層21d、中間層 21b以及阱層21c，使用同一AlGalnAs(組成比不同），但導(dǎo)帶的實際效力的電場的朝向和價 帶的實際效力的電場的朝向相反，所以無法實現(xiàn)圖8那樣的構(gòu)造。例如，在圖10中，作為第1 阻擋層21a以及第2阻擋層21d、中間層21b以及阱層21c，使用同一 InGaAsP(組成比不同），但 即使在該情況下也同樣地?zé)o法實現(xiàn)圖8那樣的構(gòu)造。
[0105] 相對于此，在本實施方式1中，作為中間層lib的材料使用AlGalnAs，作為講層11c 的材料使用InGaAsP，所以能夠?qū)崿F(xiàn)圖8那樣的構(gòu)造。
[0106] 另一方面，已知導(dǎo)帶的電子的有效質(zhì)量比價帶的空穴的有效質(zhì)量小，所以與電壓 的施加相伴的能量移動量小。在該情況下，為了使逆偏置電壓與相位的關(guān)系高效地移動，需 要使導(dǎo)帶的施加電場大于價帶的施加電壓。在本實施方式1中，能夠使中間層11 b的 AlGalnAs與阱層11c的InGaAsP之間的導(dǎo)帶的能量差A(yù) Ec大于它們之間的價帶的能量差A(yù) Ev。因此，能夠使導(dǎo)帶的實際效力的施加電場大于價帶的實際效力的施加電場。
[0107]〈實施方式2>
[0108] 以下，針對本發(fā)明的實施方式2的半導(dǎo)體光調(diào)制器中的與實施方式1相同或者類似 的構(gòu)成要素，附加相同的參照符號，主要說明不同的構(gòu)成要素。
[0109] 本實施方式2的半導(dǎo)體光調(diào)制器的相位調(diào)制部107的剖面構(gòu)造與實施方式1的剖面 構(gòu)造（圖3)大致相同。相位調(diào)制部107是高臺面(high-mesa)構(gòu)造，在半絕緣InP基板9上，將 由摻雜了S或者Se的N-InP構(gòu)成的N型包層10、由活性層構(gòu)成的多量子阱構(gòu)造11、由摻雜了Be 或者Zn的P-InP構(gòu)成的P型包層12以及信號電極13按照該順序?qū)盈B。
[0110]圖11是示出本實施方式2的相位調(diào)制部107的能帶圖的圖。本實施方式2的半導(dǎo)體 光調(diào)制器具備在N型包層10與多量子阱構(gòu)造11之間配設(shè)的N-光限制層7和在P型包層12與多 量子阱構(gòu)造11之間配設(shè)的P-光限制層8。
[0111]另外，如圖11所示，在本實施方式2中，具備：由N-InP構(gòu)成的N型包層10、由P-InP構(gòu) 成的P型包層12以及夾在N型包層10和P型包層12之間的多量子阱構(gòu)造11，該多量子阱構(gòu)造 11具備在層構(gòu)造11s中的各層的連接方向上排列了的多個層構(gòu)造11s。
[0112]圖12是示出一個層構(gòu)造11s(第1阻擋層11a、中間層11b、阱層11c、第2阻擋層）的能 帶圖的圖。第1阻擋層11a以及第2阻擋層lid是由AlGalnAs構(gòu)成的例如厚度6nm的層。中間層 lib是由AlGalnAs構(gòu)成的例如厚度5nm的層。講層11c是由InGaAsP構(gòu)成的例如厚度5nm的層。 另外，關(guān)于任意的兩個相鄰的層構(gòu)造11s，如圖11所示，P型包層12側(cè)的層構(gòu)造11s的第2阻擋 層lid被用作N型包層10側(cè)的層構(gòu)造11s的第1阻擋層11a。
[0113] 此處，設(shè)為多個層構(gòu)造11s在連接P型包層12和N型包層10的方向上周期性地層疊， 層疊了 13層的阱層11c以及中間層11b，并層疊了 12層的阻擋層。但是，這些層的數(shù)量不限于 此。另外，設(shè)為在圖11所示的多量子阱構(gòu)造11中，所有阱層11c的不施加電場時的吸收端一 致。
[0114] 針對多個阻擋層中的最接近P型包層12的阻擋層，實施N型摻雜。該N型摻雜濃度優(yōu) 選為1018cnf 3以下。被N型摻雜了的阻擋層與P型包層12形成PN結(jié)。
[0115] 以下，在與具備圖7所示那樣的AlGalnAs的簡單的量子阱構(gòu)造的光調(diào)制器進(jìn)行對 比的同時，說明本實施方式2的半導(dǎo)體光調(diào)制器的各種測定結(jié)果。另外，對比中使用的光調(diào) 制器的調(diào)制層的構(gòu)造是將圖11的多量子阱構(gòu)造11置換為簡單的量子阱構(gòu)造而得到的結(jié)構(gòu)， 對比中使用的量子阱構(gòu)造的不施加電場時的吸收端設(shè)為與圖12的構(gòu)造一致。另外，調(diào)制部 的長度同樣地設(shè)為3_。
[0116] 圖13、圖14以及圖15是分別示出相位變化、調(diào)制損失以及a參數(shù)的推挽電壓依賴性 的圖。它們是在相同波長（1.55wn)以及相同半波長電壓作(2作=2.5￥)的條件下測定得到 的結(jié)果。
[0117] 圖13示出對在圖2中的點X至點Y中進(jìn)行調(diào)制時的相位變化進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化而得到的結(jié) 果。在圖13中，橫軸表示推挽電壓A V(V)，縱軸表示相位變化量A (}> (rad)。另外，用實線表 示本實施方式2的構(gòu)造的特性，用虛線表示簡單的量子阱構(gòu)造的特性。
[0118] 圖14示出圖2中的點X或者點Y處的光損失量(對應(yīng)于光輸出）。在圖14中，橫軸表示 推挽電壓A V(V)，縱軸表示吸收所導(dǎo)致的光損失量(dB)。另外，用實線表示本實施方式2的 構(gòu)造的特性，用虛線表示簡單的量子阱構(gòu)造的特性。
[0119] 圖15示出在圖2中的點Z至點Y中進(jìn)行調(diào)制時的a參數(shù)。在圖15中，橫軸表示推挽電 壓A V(V)，縱軸表示a參數(shù)。另外，用實線表示本實施方式2的構(gòu)造的特性，用虛線表示簡單 的量子阱構(gòu)造的特性。
[0120]另外，在圖13~圖15中，橫軸是推挽電壓，該推挽電壓與逆偏置電壓依賴性對應(yīng)。 因此，例如，圖13實質(zhì)上示出折射率變化的逆偏置電壓依賴性。另外，使圖15左右反轉(zhuǎn)而得 到的圖示出實質(zhì)上在圖2中的點X至點Z中進(jìn)行調(diào)制的情況下的a參數(shù)的推挽電壓依賴性。
[0121] 另外，詳細(xì)說明圖13~圖15的結(jié)果。根據(jù)圖13的結(jié)果可知，本實施方式2的構(gòu)造中 的相位變化量的逆偏置電壓依賴性的曲線與簡單的量子阱構(gòu)造的該曲線相比，變得更像直 線。這對應(yīng)于實施方式1中說明的優(yōu)點之一、即提高線性。
[0122] 根據(jù)圖14的結(jié)果可知，本實施方式2的構(gòu)造與簡單的量子阱構(gòu)造相比，吸收損失 (光損失量)更小(接近于〇)。
[0123] 根據(jù)圖15的結(jié)果可知，如果特別在推挽電壓為VJI附近時進(jìn)行比較，則本實施方式2 的構(gòu)造與簡單的量子阱構(gòu)造相比，a參數(shù)的差距雖很小，但更接近于〇。
[0124] 圖16是示出針對本實施方式2的構(gòu)造和簡單的量子阱構(gòu)造而改變了波長的情況下 的光損失的結(jié)果的圖。在圖16中，黑的三角標(biāo)記表示本實施方式2的構(gòu)造的光損失的結(jié)果， 白的四角標(biāo)記表示簡單的量子阱構(gòu)造的光損失的結(jié)果。根據(jù)圖16的結(jié)果可知，不僅是特定 的波長，在光通信中通常利用的整個C帶中，本實施方式2的構(gòu)造與簡單的量子阱構(gòu)造相比， 光損失更小。
[0125] 〈實施方式2的總結(jié)〉
[0126] 在以上那樣的本實施方式2的半導(dǎo)體光調(diào)制器中，多量子阱構(gòu)造 11具備在層構(gòu)造 中的各層的連接方向上排列了的多個層構(gòu)造。另外，關(guān)于任意兩個相鄰的層構(gòu)造，P型包層 12側(cè)的層構(gòu)造的第2阻擋層lid被用作N型包層10側(cè)的層構(gòu)造的第1阻擋層11a。
[0127] 根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，與實施方式1同樣地，能夠使相對于基于逆偏置電壓的電場變化 的折射率變化接近線性，能夠使a參數(shù)接近〇。另外，能夠在C帶中減小光損失。
[0128] 另外，也可以代替圖12而應(yīng)用具有圖17所示那樣的能帶圖的層構(gòu)造11s(第1阻擋 層11a、中間層11b、阱層11c、第2阻擋層lid)。另外，在圖17中，第1阻擋層11a以及第2阻擋層 lid是由AlGalnAs構(gòu)成的例如厚度6nm的層。中間層lib是由AlGalnAs構(gòu)成的例如厚度5nm的 層。講層11c是由GalnAsPSb構(gòu)成的例如厚度5nm的層。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，與上述同樣地，能夠 使相對于基于逆偏置電壓的電場變化的折射率變化接近線性，能夠使a參數(shù)接近〇。另外，能 夠在光通信中除C帶之外經(jīng)常使用的L帶中減小光損失。
[0129] 另外，也可以代替圖12以及圖13而應(yīng)用具有圖18所示那樣的能帶圖的層構(gòu)造11s。 該層構(gòu)造11s的中間層lib包括第1中間層llbl和第2中間層llb2。
[0130] 第1中間層llbl與第1阻擋層11a的N型包層10側(cè)的部分連接。另外，第1中間層llbl 具有比第1阻擋層11a的第1帶隙小、并且比阱層11c的第3帶隙大的帶隙來作為第2帶隙。
[0131] 第2中間層llb2與第1中間層llbl的N型包層10側(cè)的部分以及阱層11c的P型包層12 偵啲部分連接。另外，第2中間層llb2具有比第1中間層llbl的帶隙小、并且比阱層11c的第3 帶隙大的帶隙來作為第4帶隙。此外，第4帶隙與第1中間層llbl的第2帶隙同樣地，比第1阻 擋層11a的第1帶隙小并且比阱層11c的第3帶隙大。因此，第4帶隙的概念包含于第2帶隙的 概念中。
[0132] 另外，第1阻擋層11a以及第2阻擋層lid的導(dǎo)帶能量比第1中間層llbl的導(dǎo)帶能量 大，第1中間層llbl的導(dǎo)帶能量比第2中間層llb2的導(dǎo)帶能量大，第2中間層llb2的導(dǎo)帶能量 比阱層11c的導(dǎo)帶能量大。第1中間層llbl的價帶能量比第2中間層llb2的價帶能量大，第2 中間層llb2的價帶能量比阱層11c的價帶能量大，阱層11c的價帶能量比第1阻擋層11a以及 第2阻擋層lid的價帶能量大。
[0133] 另外，在圖18中，第1阻擋層11a以及第2阻擋層lid是由AlGalnAs構(gòu)成的例如厚度 6nm的層。第1中間層llbl是由AlGalnAs構(gòu)成的例如厚度3.5nm的層。第2中間層llb2具有拉 伸變形，是由AlGalnAs構(gòu)成的例如厚度3.5nm的層。講層11c是由GalnAsPSb構(gòu)成的例如厚度 3.5nm的層。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，與上述同樣地，能夠使相對于基于逆偏置電壓的電場變化的 折射率變化接近線性，能夠使a參數(shù)接近〇。
[0134] 〈實施方式3>
[0135] 圖19是示出本發(fā)明的實施方式3的光模塊的結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖19的光模塊具備波 長可變激光光源201、具有標(biāo)準(zhǔn)量具等的波長監(jiān)視器PD(光電二極管）202、實施方式1或者2 的半導(dǎo)體光調(diào)制器204以及光監(jiān)視器(光電二極管)203。即，圖19的光模塊使用實施方式1 或者2的半導(dǎo)體光調(diào)制器。此處，根據(jù)波長監(jiān)視器PD202的輸出（輸出光的波長的測定結(jié)果） 和光監(jiān)視器PD203的輸出（輸出光的光強(qiáng)度的測定結(jié)果），針對波長可變激光光源201，進(jìn)行 反饋的控制。由此，從波長可變激光光源201輸出以期望的波長振蕩的光。與該控制一起，使 作為MZ調(diào)制器的半導(dǎo)體光調(diào)制器204的DC偏置電壓變化，從而將光模塊調(diào)整成按照特定的 RF電壓振幅進(jìn)行動作。
[0136] 另外，本發(fā)明能夠在該發(fā)明的范圍內(nèi)，自由地組合各實施方式或者將各實施方式 適當(dāng)?shù)刈冃?、省略?br>【主權(quán)項】
1. 一種半導(dǎo)體光調(diào)制器，其特征在于，具備： 半導(dǎo)體基板；以及 半導(dǎo)體多層構(gòu)造，包含于形成于所述半導(dǎo)體基板上并且光的相位根據(jù)電壓而變化的光 波導(dǎo)中， 所述半導(dǎo)體多層構(gòu)造具備： P型包層以及N型包層；以及 多量子阱構(gòu)造，夾在所述P型包層與所述N型包層之間， 所述多量子阱構(gòu)造具備層構(gòu)造，該層構(gòu)造包括： 第1阻擋層，具有第1帶隙； 中間層，與所述第1阻擋層的所述N型包層側(cè)的部分連接，具有比所述第1帶隙小的第2 帶隙； 阱層，與所述中間層的所述N型包層側(cè)的部分連接，具有比所述第2帶隙小的第3帶隙； 以及 第2阻擋層，與所述阱層的所述N型包層側(cè)的部分連接，具有所述第1帶隙， 所述第1阻擋層以及第2阻擋層的導(dǎo)帶能量比所述中間層的導(dǎo)帶能量大，所述中間層的 導(dǎo)帶能量比所述阱層的導(dǎo)帶能量大， 所述中間層的價帶能量比所述阱層的價帶能量大，所述阱層的價帶能量比所述第1阻 擋層以及第2阻擋層的價帶能量大。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體光調(diào)制器，其特征在于， 所述多量子阱構(gòu)造具備在所述層構(gòu)造中的各層的連接方向上排列的多個所述層構(gòu)造， 關(guān)于任意兩個相鄰的所述層構(gòu)造，所述P型包層側(cè)的所述層構(gòu)造的所述第2阻擋層被用 作所述N型包層側(cè)的所述層構(gòu)造的所述第1阻擋層。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的半導(dǎo)體光調(diào)制器，其特征在于， 所述第1阻擋層以及第2阻擋層的材料是AlGalnAs，所述中間層的材料是AlGalnAs，所 述阱層的材料是InGaAsP或者GalnAsPSb。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的半導(dǎo)體光調(diào)制器，其特征在于， 所述中間層包括： 第1中間層，與所述第1阻擋層的所述N型包層側(cè)的部分連接，具有比所述第1帶隙小、并 且比所述第3帶隙大的帶隙來作為所述第2帶隙；以及 第2中間層，與所述第1中間層的所述N型包層側(cè)的部分以及所述阱層的所述P型包層側(cè) 的部分連接，具有比所述第1中間層的帶隙小、并且比所述第3帶隙大的帶隙來作為第4帶 隙， 所述第1阻擋層以及第2阻擋層的導(dǎo)帶能量比所述第1中間層的導(dǎo)帶能量大，所述第1中 間層的導(dǎo)帶能量比所述第2中間層的導(dǎo)帶能量大，所述第2中間層的導(dǎo)帶能量比所述阱層的 導(dǎo)帶能量大， 所述第1中間層的價帶能量比所述第2中間層的價帶能量大，所述第2中間層的價帶能 量比所述阱層的價帶能量大，所述阱層的價帶能量比所述第1阻擋層以及第2阻擋層的價帶 能量大。5. -種光模塊，其特征在于，使用權(quán)利要求1或者2所述的半導(dǎo)體光調(diào)制器。
【文檔編號】G02F1/017GK106054411SQ201610214794
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月8日 公開號201610214794.0, CN 106054411 A, CN 106054411A, CN 201610214794, CN-A-106054411, CN106054411 A, CN106054411A, CN201610214794, CN201610214794.0
【發(fā)明人】秋山浩一, 柳生榮治
【申請人】三菱電機(jī)株式會社