JP2004013073A

JP2004013073A - 光変調器

Info

Publication number: JP2004013073A
Application number: JP2002169983A
Authority: JP
Inventors: Shinya Tokizaki; 鴇崎　晋也
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】波形の劣化を引き起こす電圧依存性を小さくすることができる光変調器を提供する。
【解決手段】印加電圧を制御して吸収層における光吸収を制御する光変調器において、上記吸収層を、バリア層およびウェル層とが交互に積層され、上面及び下面がバリア層で形成されてなる多重量子井戸構造体と、該多重量子井戸構造体の上面及び下面側の少なくともいずれか一方に多重量子井戸構造体に隣接して形成されたバルク半導体層とから構成する。ＭＱＷ構造体の屈折率変化量Δｎの補正を一層正確に実施するには、上記吸収層において、上記バルク半導体層を、上記多重量子井戸構造体の上面及び下面側の両方に形成する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体レーザにおける光強度を変調する外部変調器の１つとして、半導体光吸収層に電界印加することで、吸収端波長が長波長側へシフトする現象を利用する電界吸収型光変調器が知られている。この電界吸収型光変調器では、吸収端波長をレーザの発振波長よりも若干短波側に設定しておき、外部から加える電界（電圧）を変調することで、光強度の変調が行われる。
【０００３】
従来の電界吸収型光変調器（以下、ＥＡＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）と表記）について、例えば１９９７年４月“ＩＥＥＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＥＬＥＣＴＥＤ　ＴＯＰＩＣＳ　ＩＮ　ＱＵＡＮＴＵＭ　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，ＶＯＬ　３，　ＮＯ．２”に掲載されたＴａｋｅｕｃｈｉ等による文献“Ｖｅｒｙ　Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ　Ｌｉｇｈｔ−Ｓｏｕｒｃｅ　Ｍｏｄｕｌｅ　ｕｐ　ｔｏ　４０　Ｇｂ／ｓ　Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　ａｎ　ＭＱＷ　Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ａ　ＤＦＢ　Ｌａｓｅｒ”にて解説されるＥＡＭを取り上げて説明する。図４の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、上記文献にて解説されたＥＡＭの斜視図及びＥＡＭにおける多層構造の一部を拡大して示す断面説明図である。図から分かるように、このＥＡＭ５０では、ｎ型ＩｎＰ基盤５５Ｂの上面にｎ型ガイド層５３Ｂが形成され、また、ｎ型ガイド層５３Ｂの上面には光を吸収する吸収層５４が形成されている。更に、吸収層５４の上面にはｐ型ガイド層５３Ａ，ｐ型ＩｎＰ層５２Ａ，電極５１が順に形成されている。また、一方、ｎ型ＩｎＰ基盤５５Ｂの下面には電極５６が形成されている。以上の構成によって、ＥＡＭ５０は所謂ｐｉｎ構造を有することになる。このｐｉｎ構造では、電圧が吸収層５４に印加される。
【０００４】
図４の（ｂ）には、吸収層５４の構造を拡大して示す。吸収層５４は、層厚の小さい量子井戸層が複数積層されてなる多重量子井戸構造（以下、ＭＱＷ（ｍｕｌｔｉ−ｑｕａｎｔｕｍ　ｗｅｌｌ）構造と表記）を有している。量子井戸層をなすウェル層５７及びバリア層５８の材料としては、共に、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・ヒ素・リン）が用いられる。また、ウェル層５７及びバリア層５８の層厚は、それぞれ、９．７ｎｍおよび５．５ｎｍであり、ＭＱＷ構造体は微細構造をなしている。
【０００５】
次に、かかる多層構造を有するＥＡＭ５０の動作原理について説明する。ＥＡＭ５０に入射したレーザ光は、ｐ型及びｎ型ガイド層５３Ａ，５３Ｂ及び吸収層５４に閉じ込められる。このとき、ＥＡＭ５０に逆バイアスを印加すると吸収層５４の吸収係数が増加する効果が生じ、吸収層５４に閉じこめられた光は吸収される。すなわち、ＥＡＭ５０へ印加される電圧に応じてレーザ光の吸収が変化するため、ＥＡＭ５０に接続された高周波電気回路（不図示）に変調信号電圧を印加すると、ＥＡＭ５０の出射端面から出射されるレーザ光には信号電圧に対応した強度変調が施されることになる。
【０００６】
一般に、ＥＡＭに用いられる吸収層としては、大別して、単層の厚い光吸収層であるバルク材料からなるものと、室温励起子を形成することができる程度のＭＱＷ構造体からなるものがある。前者は、フランツ・ケルディッシュ効果（Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ　ｅｆｆｅｃｔ）による吸収スペクトル変化を用いて、また、後者は、量子閉じ込めシュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｃｏｎｆｉｎｅｄ　Ｓｔａｒｋ　Ｅｆｆｅｃｔ）による吸収スペクトル変化を用いて、消光を行う。ＥＡＭの光吸収層をＭＱＷ構造体で形成すると、低い動作電圧で高い消光比（ＯＮ時とＯＦＦ時の光透過量の比）が得られる。このため、通常、高速伝送においては、ＭＱＷ構造体の光吸収層が使用される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、逆バイアス電圧の変化に対応する吸収係数の変化量Δαと屈折率の変化量Δｎとの間には、所謂クラーマス・クローニッヒの関係（Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ　ｒｅｌａｔｉｏｎ）が存在しており、２つの量は互いに独立ではない。このため、光変調動作時には、ＥＡＭの光吸収層における吸収スペクトルの変化に伴って屈折率が変動することになる。その結果、出力された光の波長が変動する、すなわち、チャーピングが発生することになる。伝送線路である光ファイバには、波長によって光の群速度が異なるという波長分散特性があるため、出力光のチャーピングによってスペクトルが信号帯域以上に広がると、伝送特性の劣化（波形の劣化等）が生じやすくなる。特に、電圧が変化している時々刻々で波形劣化の大きさが異なると、変調後の光変調を再成形することが難しくなる。
したがって、量子閉じ込めシュタルク効果による動作では、高い消光比が得られるものの、それに伴い、屈折率の変動も大きくなり、波形の劣化が大きくなる傾向がある。
【０００８】
従来、ＭＱＷ構造体のウェル層およびバリア層の材料組成や層厚を最適化することにより、チャーピングの低下および高い消光比の両立について、その改善が図られてきた。しかし、ＭＱＷ構造体におけるαパラメータ（吸収係数の変化量Δαと屈折率の変化量Δｎ）の電圧依存性は、材料組成や層厚等の設計要素に対して敏感であり、最適化に伴う設計要素の微調整が非常に難しいという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたもので、波形の劣化を引き起こす電圧依存性を小さくすることができる光変調器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願の第１の発明は、印加電圧を制御して吸収層における光吸収を制御する光変調器において、上記吸収層が、バリア層と該バリア層と比べて小さいバンドギャップを有するウェル層とが交互に積層され、上面及び下面がバリア層で形成されてなる多重量子井戸構造体と、該多重量子井戸構造体の上面及び下面側の少なくともいずれか一方に多重量子井戸構造体に隣接して形成されたバルク半導体層とから構成されていることを特徴としたものである。
【００１１】
また、本願の第２の発明は、第１の発明において、上記吸収層において、上記バルク半導体層が、上記多重量子井戸構造体の上面及び下面側の両方に形成されていることを特徴としたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、以下、従来技術の説明と重複する部分については適宜その説明を省略する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光変調器における多層構造の一部を拡大して示す断面説明図である。この光変調器では、ｎ型ＩｎＰ基盤１の上面に、ｎ型ガイド層２，吸収層９，ｐ型ガイド層６，ｎ型ＩｎＰ基盤１と逆極性の導電性ＩｎＰ基盤７が順に形成されて、多層構造が構成されている。吸収層９，ｎ型及びｐ型ガイド層２，６の材料としては、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・ヒ素・リン）又はＩｎＡｌＧａＡｓ（インジウム・アルミニウム・ガリウム・ヒ素）が用いられる。
【００１３】
この実施の形態では、吸収層９が、ＭＱＷ構造体８とその上面に形成されたバルク半導体層（以下、バルク層という）５との二種類で構成されている。ＭＱＷ構造体８は、従来技術と同様に、共にＩｎＧａＡｓＰからなるバリア層３及びウェル層４が交互に積み重ねられて構成されている。また、バルク層５は、単層の比較的厚い光吸収層であるバルク材料からなる。
【００１４】
かかる多層構造によれば、光は、ＭＱＷ構造体８の量子閉じ込めシュタルク効果により生じる吸収係数変化、及び、バルク層５のフランツ・ケルディッシュ効果よって吸収される。
【００１５】
図２に、前述した多層構造におけるエネルギーバンド構造を示す。符号は、図１に示す多層構造を構成する各層に付された符号に対応しており、図中のＥｃ（伝導帯の底のエネルギーレベル）〜Ｅｖ（価電子帯の頂上のエネルギーレベル）の間隔が、各層におけるエネルギーギャップをあらわしている。
【００１６】
層の厚さが固定された場合に、バルク層５による屈折率変化の補償は、バルク層５のバンドギャップ（図中のＥｇ（ｂ））とウェル層４のバンドギャップ（図中のＥｇ（ｗ））との大小関係に最も依存することとなり、ここでは、一方のバンドギャップに対して、他方のバンドギャップが所定の範囲内に収まるように調整が行なわれる。例えば、３ボルト程度の外部電圧によって実効的に屈折率変化を補償するには、バルク層５のバンドギャップが、ウェル層４のバンドギャップに対して±２０ｎｍ以内にあることが望ましい。より好ましくは、±１０ｎｍであることが望ましい。
【００１７】
フランツ・ケルディッシュ効果を発現するバルク層５は、膜厚や材料組成に対する吸収変化量Δαや屈折率変化量Δｎの電圧依存性等の光変調特性が鈍感である。そのため、ＭＱＷ構造体８及びバルク層５で構成される吸収層９によれば、従来のＭＱＷ構造体のみで構成される吸収層と比べて、膜厚や半導体材料の組成比等についての作成誤差に寛容であり、ＥＡＭの特性最適化が容易に実現可能となる。
【００１８】
また、バルク層５におけるフランツ・ケルディッシュ効果による吸収変化量Δαの電圧変動は、ＭＱＷ構造体８と比較して小さい。すなわち、吸収変化量Δαとクラマース・クローニッヒの関係にある屈折率変化量Δｎも小さく、バルク材料のチャーピング特性は良好である。したがって、ＭＱＷ構造体８に加え、バルク層５を設けて、吸収層全体のΔα及びΔｎの電圧依存性を補正的に調整することにより、チャーピングを低下させることも可能となる。
【００１９】
実施の形態２．
前述した実施の形態１では、ＭＱＷ構造体８の上面側のみにバルク層５が形成される例が取り上げられたが、これに限定されることなく、図３に示すように、ＭＱＷ構造体８の上面及び下面側の両方において、バルク層５Ａ及び５Ｂが形成されてもよい。
【００２０】
かかる構成によれば、ＭＱＷ構造体８の屈折率変化量Δｎの補正を、上面側のみにバルク層５が形成される場合と比べて一層正確に行なうことができる。
【００２１】
なお、本発明は、例示された実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【００２２】
【発明の効果】
本願の請求項１の発明によれば、消光比は大きく取れるものの吸収係数変化量Δα及び屈折率変化量Δｎ（所謂αパラメータ）の電圧依存性が大きく正値となる多重量子井戸構造体と、両変化量Δα及びΔｎの電圧依存性が小さく負値をとるものの消光比が小さくなる傾向を有するバルク半導体層とから構成される吸収層が設けられるので、消光比を十分に保ちつつ、変化量Δα及びΔｎの絶対値及び電圧依存性を小さくすることができる。また、バルク層は、多重量子井戸構造と比較すると、その消光比や変化量Δα及びΔｎは設計要素に関して鈍感であるので、その作成が容易に行なえる。
【００２３】
また、本願の請求項２の発明によれば、吸収層において、バルク半導体層が、上記多重量子井戸構造体の上面及び下面側の両方に形成されるので、多重量子井戸構造体における屈折率変化量Δｎの補正を、上面側のみにバルク半導体層が形成される場合と比べて一層正確に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光変調器における多層構造の一部を拡大して示す断面説明図である。
【図２】上記多層構造のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る光変調器における多層構造の一部を拡大して示す断面説明図である。
【図４】（ａ）従来の光変調器の斜視図である。
（ｂ）従来の光変調器における多層構造の一部を拡大して示す断面説明図である。
【符号の説明】
１　ｎ型ＩｎＰ基盤，２　ｎ型ガイド層，３　バリア層，４　ウェル層，５，５Ａ，５Ｂ　バルク層，６　ｐ型ガイド層，７　ｐ型ＩｎＰ基盤，８　多重量子井戸構造体，９　吸収層，Ｅｇ（ｂ）　バルク層のバンドギャップ，Ｅｇ（ｗ）ウェル層のバンドギャップ。

Claims

印加電圧を制御して吸収層における光吸収を制御する光変調器において、
上記吸収層が、バリア層と該バリア層と比べて小さいバンドギャップを有するウェル層とが交互に積層され、上面及び下面がバリア層で形成されてなる多重量子井戸構造体と、該多重量子井戸構造体の上面及び下面側の少なくともいずれか一方に多重量子井戸構造体に隣接して形成されたバルク半導体層とから構成されていることを特徴とする光変調器。
上記吸収層において、上記バルク半導体層が、上記多重量子井戸構造体の上面及び下面側の両方に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光変調器。