JPH0690369B2 - 半導体光変調器 - Google Patents

半導体光変調器

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JPH0690369B2
JPH0690369B2 JP61035096A JP3509686A JPH0690369B2 JP H0690369 B2 JPH0690369 B2 JP H0690369B2 JP 61035096 A JP61035096 A JP 61035096A JP 3509686 A JP3509686 A JP 3509686A JP H0690369 B2 JPH0690369 B2 JP H0690369B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) 本発明は、半導体光変調器に係わり、特に変調速度の改
善に関するものである。
(従来技術とその問題点) 近年、光情報処理や光通信用の半導体光変調器の開発が
活発に行われている。中でも、応答速度が極めて速い電
気光学効果や電気吸収効果を用いた電圧駆動型の半導体
光変調器が高束変調用として注目されている。
第1図は従来の電圧駆動型半導体光変調器の断面図であ
り、1はn+型InP基板、2はn型InP下部クラッド層、3
はn-型GaInAsP光導波路層、4はn-型InP上部クラッド
層、5はp+型InP層、6はn側電極、7はp側電極を、
それぞれ、示している。
この構造では、電極6,7間に逆方向電圧(V)を印加
し、光導波路層3内の電界強度値を増加させ、電気光学
効果による屈折率あるいは電気吸収効果による吸収係数
値の変化を利用して変調を行うものである。また、変調
の深さは逆方向電圧をかけて生じた光導波路層3内の電
界強度に応じて変化する屈折率変化または吸収係数の変
化量によって決定される。
第2図は第1図に示した従来の半導体光変調器に逆電圧
を印加した場合における各層の電界強度分布を示したも
ので、p−n接合面であるp型InP層5とn-型InP上部ク
ラッド層4との間に最も高電界がかかり、p−n接合面
から離れるに従って電界強度も弱くなっている。なお、
縦軸はp−n接合面を基点にした各層までの距離を表し
たもので、電界がかかっている下部クラッド層2の幅W1
が下部クラッド層2の空乏層幅を意味している。
このような従来の電圧駆動型の半導体光変調器でさらに
高速変調を行うためには、下部クラッド層2の層厚を厚
くして、電極6,7間に印加する逆電圧(以下、「変調電
圧」と称す)を上げなければならなかった。しかし、高
い変調電圧は現在開発されている高速パルス発生器では
発生が容易ではないため、駆動が困難となってしまう欠
点がある。
従って、変調電圧を高くすることなく高速変調する半導
体光変調器が強く望まれていたが、今まで何ら開示され
ていなかった。
(発明の目的及び特徴) 本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するために
なされたもので、変調電圧を増加させることなく高速変
調が可能な半導体光変調器を提供することを目的とす
る。
本発明の特徴は、光導波路層3に隣接しているクラッド
層のキャリア濃度をp−n接合もしくはショットキー接
合すなわち光導波路層3に向かって徐々に大きくするこ
とによって空乏層幅を広げ、接合容量を低下させたこと
にある。
(発明の原理) 一般に、変調電圧を変えずに高速変調を行うためにはp
−n接合容量を低減すれば良いことが知られている。本
発明者等は、この前提に立ちp−n接合容量Cと、光導
波路層3に隣接するクラッド層の空乏層の幅Wとの関係
が近似的に次式で表されるものと考えた。
但し、ε0は誘電率、εは光導波路層3の比誘電率であ
る。(1)式から明らかなように、p−n接合容量Cは
クラッド層の空乏層幅Wに反比率する。従って、光導波
路層3内の電界強度を変えずにクラッド層の空乏層幅W
を大きくすれば、p−n接合容量が低下し高速変調が可
能となる。そこで、本発明はクラッド層内のキャリア濃
度を変化させ、クラッド層内の電界強度分布を変えるこ
とによって空乏層幅を大きくし、p−n接合容量を低下
させたものである。
(発明の構成) 以下に図面を用いて本発明を詳細に説明する。
なお、以下の説明では従来と同一構成部分には同一番号
を付し説明の重複を省く。
第3図は本発明による実施例であり、電圧駆動型半導体
光変調器の断面図である。第1図の従来構造と異なると
ころは、キャリア濃度が均一なn型InP下部クラッド層
2をキャリア濃度が変化しているn型InP下部クラッド
層8に置き換えた点にある。この下部クラッド層8は、
InP基板1側から光導波路層3へ近づくに従ってキャリ
ア濃度が大きくなるように変化させて形成してある。こ
のように下部クラッド層8のキャリア濃度を変化させれ
ば、変調電圧を増加させることなく下部クラッド層8の
層厚を厚くしても下部クラッド層8の全体に電界がかか
り、空乏層の幅Wを大きくすることができる。p−n接
合容量の大きさは(1)式で述べたように空乏層の幅W
に反比例して小さくなるため、逆電圧を増加することな
く高速変調が可能となる。
第4図は本発明による半導体光変調器の電界強度分布図
である。同図の電界強度分布は、従来の構造と比較する
ため、第2図の電界強度測定時と同一の変調電圧(9v)
で下部クラッド層8のキャリア濃度を例えば基板1側の
1014cm-3から光導波路層3側の5X1015cm-3までほぼ連続
的に変化させ、かつ下部クラッド層厚を従来のほぼ0.5
μmから本発明のほぼ1.4μmに変えた場合のものであ
る。
同図から、次のことが理解される。
変調電圧が従来と同一のため、光導波路層3の電界強
度値も変化しない。すなわち、変調の深さは変化しな
い。
キャリア濃度が大きい光導波路層3側で電界強度分布
の傾きも大きく、キャリア濃度の小さい方では電界強度
分布の傾きも小さくなり、キャリア濃度の変化によって
電界が加わる距離(p−n接合面からの距離)を大きく
することができる。従って、電界強度の加わる距離が大
きくなるということは空乏層幅も大きくできることを意
味している。
従来のクラッド層2内の斜線領域と本発明のクラッド
層8内の斜線領域との面積は等しい。これは、同一変調
電圧であるということを意味している。従って、このこ
とからも同一変調電圧で空乏層の幅が大きくなっている
ことがわかる。
なお、従来構造と本発明による空乏層の幅の差W0はInP
下部クラッド層8の層厚が1.4μmであることにより、
変調帯域幅を20GHz程度にすることができることにな
る。
以上のように、本発明は変調電圧を増加させることな
く、変調速度を速くすることができる効果がある。な
お、上述の説明では一層の下部クラッド層8内で連続的
にキャリア濃度を変化する例について述べたが、下部ク
ラッド層8をキャリア濃度の異なる複数の層で形成し、
キャリア濃度順に順次積層した構造にしても良い。ま
た、下部クラッド層の層厚を厚くした場合には、キャリ
ア濃度を大きくすれば良い。以上はInP/GaInAsP系を例
にとり説明したが、本発明はこの半導体層に限定される
ことなく、他の半導体層にも適用することができる。
(応用例) 次に、本発明による半導体光変調器を用いた応用例につ
いて説明する。
第5図は本発明の応用例であり、分布帰還型半導体レー
ザ(以下、「DFBレーザ」と称す)と半導体光変調器と
をモノリシックに集積化した高速光信号源装置の断面図
である。
同図において、レーザ領域はInP基板1上に周期的な凹
凸を有するInPクラッド層8,GaxIn1-xAsyP1-yレーザ領域
光導波路層13,GarIn1-rAssP1-s活性層14およびGatIn1-t
AsuP1-uコンタクト層15が順次積層された構造となって
いる。なお、11はSi3N4絶縁膜、12はλ/4シフト回折格
子であり、各組成比は0x,y,r,s,t,u1で、かつ光
導波路層13とコンタクト層15の禁制帯幅が活性層14の禁
制帯幅よりも大きいという条件を満たしている。また、
p型InP層9及びn型InP層10はレーザ領域の端面におけ
る反射を無くするように設けられた窓領域である。
一方、変調領域は、レーザ領域の同一基板1上にキャリ
ア濃度を変化させたInPクラッド層8と、レーザ領域の
光導波路層13と活性層14とを含むような層厚を有するGa
xIn1-xAsyP1-y変調領域光導波路層3と、InP上部クラッ
ド層4とInPクラッド層5と、GatIn1-tAsuP1-uコンタク
ト層15とが積層され、さらに、Si3N4絶縁膜11と窓領域
とが付加された電気吸収効果を有した構造となってい
る。なお、6及び7は電極である。
レーザ領域で安定な単一波長発展した光は、レーザ領域
の光導波路部と直接結合された変調領域光導波路層3に
より導波され、変調領域の電極6及び7に印加された変
調電圧によって、強度変調される。このとき、下部クラ
ッド層8のキャリア濃度が基板1側から空光導波路層3
側に近づくに従って大きくなるように構成されているた
め、p−n接合容量が低減され、高消光比,低変調電圧
でかつ高速変調が可能となる。
(発明の効果) 以上のように、本発明は光導波路層3に隣接した下部ク
ラッド層8のキャリア濃度を変化させることにより、空
乏層幅を広げて、p−n接合容量を低減し、低変調電圧
で高速変調が可能となるため、光通信用あるいは光情報
処理等の半導体光変調器として適用でき、その効果は極
めて大である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の電圧駆動型半導体光変調器の断面図、第
2図は従来の半導体光変調器の電界強度分布図、第3図
は本発明による半導体光変調器の断面図、第4図は本発
明による半導体光変調器の電界強度分布図、第5図は本
発明の応用例としての高速光信号源装置の断面図であ
る。 1…n+型InP基板、2,8…n型Inp下部クラッド層、3,13
…n-型GaxIn1-xAAsyP1-y光導波路層、4…n-型InP上部
クラッド層、5…p+型InP層、6,7…電極、9…p型InP
層、10…n型InP層、11…Si3N4絶縁膜、12…λ/4シフト
回折格子、14…GarIn1-rAssP1-s活性層、15…GatIn1-tA
suP1-uコンタクト層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋葉 重幸 東京都目黒区中目黒2丁目1番23号 国際 電信電話株式会社研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−60726(JP,A) 特開 昭61−32485(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に少なくとも1層以上からなるクラ
    ッド層と、光を制御する光導波路層と、該光導波路層に
    隣接してp−n接合もしくはショットキー接合とを少な
    くとも有し、該接合には逆バイアス電圧が印加され、該
    クラッド層のキャリア濃度が前記光導波路層に近づくに
    従って徐々に大きくなるように構成された電圧駆動型の
    半導体光変調器。
JP61035096A 1986-02-21 1986-02-21 半導体光変調器 Expired - Lifetime JPH0690369B2 (ja)

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