JPH0894981A - 光強度変調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速かつ低チャープ動作する光強度変調装置
を提供すること。 【構成】 光が導波する領域は、面方位が（１００）面
であるｐ−ＩｎＰ基板１０上に、アンドープト−ＩｎＰ
拡散防止層４０とアンドープト−ＩｎＧａＡｓＰ光導波
路層４０とを、ｐ−ＩｎＰ下側クラッド層２０とｎ−Ｉ
ｎＰ上側クラッド層５０とによって挟んだｐ−ｉ−ｎ構
造で構成されている。これらはダブルヘテロ構造をなし
ている。また、これらの積層体の上には、ｎ^- −ＩｎＧ
ａＡｓＰオーミックコンタクト層６０と上側電極７０と
が形成され、下には、下側電極８０が形成されている。
さらに、導波路の左右には、光と電界とを閉じ込めるた
め、横埋め込み層９０が形成されている。また、導波路
の方向は〈０１−１〉方向である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体を用いた光強
度変調装置、特に高速かつ低チャープ動作する光強度変
調装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の光強度変調装置として
は、例えば、文献１：「ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏ
ｆ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｖ
ｏｌ．ＬＴ−４， ｎｏ．１０， １９８６， ｐｐ１
４４５−１４５２」に開示されている。

【０００３】以下、この文献に開示されている光強度変
調装置について簡単に説明する。

【０００４】光が導波し、変調される領域は、ｎ−Ｉｎ
Ｐ半導体基板上に、アンドープト（ｕｎｄｏｐｅｄ）−
ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層とアンドープト−ＩｎＰ拡散
防止層とを、ｎ−ＩｎＰ下側クラッド層とｎ−ＩｎＰ上
側クラッド層とにより挟んだｐ−ｉ−ｎ構造で構成され
ている。電界がかかるアンドープト−ＩｎＧａＡｓＰ光
導波路層のバンドギャップエネルギーは８５５ｍｅＶ
（バンドギャップ波長は１．４５μｍ）である。また、
導波路層の厚さは０．３３μｍ、幅は４〜８μｍ、長さ
は５２０μｍである。また、導波路の方向は、〈０１
１〉方向である。なお、〈１００〉方向に電界がかかる
ように、ｎ型基板を用いている。

【０００５】この変調装置にフォトンエネルギーが８０
１ｍｅＶ（波長は１．５４７μｍ）の光を入射させ、逆
バイアス電圧が０Ｖと４．５Ｖとの間で定まる出射光の
光強度を比較すると、２０ｄＢの消光比を得ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光強度変調装置では、ｎ型基板を用いているため、上側
電極はｐ型となる。通常得られるコンタクト抵抗は、ｐ
型では１×１０^-4Ωｃｍ^-2である。これを長さ２００μ
ｍ、ストライプ幅３μｍの場合について当て嵌め、オー
ミック抵抗を計算すると約１７Ωとなる。

【０００７】図２は、ｉ層にかかる電圧の周波数特性を
示す図であり、この図では、オーミック抵抗を変化させ
た場合の周波数特性を示してある。そこで、同図におい
て、縦軸には、ある変調周波数ｆでのｉ層にかかる電圧
を変調周波数ｆ＝０Ｈｚでのｉ層にかかる電圧で割った
値を電圧比（ｄＢ単位で示す。）としてとり、横軸には
変調周波数ｆ（ＧＨｚの単位で示す。）をとって示して
いる。ただし、配線のインダクタンスＬ１、Ｌ２はそれ
ぞれ０．２５ｎＨ、電極間のキャパシタンスＣ_p は０．
０４ｐＦ、ｐ−ｉ−ｎ構造のｉ層のキャパシタンスＣ_j
は０．４ｐＦとし、オーミック抵抗Ｒ_s は、０、５、１
０、１５、２０Ωとした。また、図３には、この光強度
変調装置の等価回路図を示している。なお、図２中、曲
線ａはオーミック抵抗が０Ω、曲線ｂはオーミック抵抗
が５Ω、曲線ｃはオーミック抵抗が１０Ω，曲線ｄはオ
ーミック抵抗が１５Ω，曲線ｅはオーミック抵抗が２０
Ωの場合をそれぞれ示す。

【０００８】この図２からも理解出来るように、ｆ＝０
（ＧＨｚ）のときの電圧比は、いずれの場合も０（ｄ
Ｂ）であり、ｆが増大するに従って、電圧比はなだらか
に減少していき、負の大きな値となる。オーミック抵抗
Ｒ_s が大きいほど、同じｆの値における減少の度合も大
である。

【０００９】光強度変調装置を高速作動させるために
は、変調周波数ｆが高くても、この変調装置が実用上、
支障がない状態で作動することが望まれる。今、仮り
に、ｎ型基板を用いるとすると、このｎ型基板では、オ
ーミック抵抗が数十Ωとなるので、図２から理解できる
ように、電圧比が負の大きな値となりすぎる。このた
め、例えば、約−３ｄＢの電圧比では周波数帯域を約２
０ＧＨｚ以上にすることは困難であった。

【００１０】従って、高速動作が可能な、広帯域な変調
特性が得られ、かつ位相変調成分が極めて少ない（つま
り、低チャープな）強度変調光を得ることができる光強
度変調装置の出現が望まれていた。

【００１１】

【課題を解決するための手段】光強度変調装置の応答の
高速特性を制限する要因として、ｐ−ｉ−ｎ構造のｉ層
のキャパシタンス、電極間のキャパシタンス、配線のイ
ンダクタンス、オーミック抵抗等がある。ｉ層のキャパ
シタンスはｐ−ｉ−ｎ構造の接合面積に比例し、オーミ
ック抵抗は電極のコンタクト面積に反比例する。垂直な
リッジ導波路等の場合、ｐ−ｉ−ｎ構造の接合面積と電
極のコンタクト面積は等しい。このため、ｉ層のキャパ
シタンスとオーミック抵抗とを同時に小さくすることは
困難である。つまり、ｉ層のキャパシタンスとオーミッ
ク抵抗とは、応答の高速特性の向上という点で、トレー
ドオフになっている。

【００１２】図２から理解できるように、オーミック抵
抗Ｒ_s が、０、５、１０、１５、２０Ωと増加するに従
い、光強度が３ｄＢ落ちる周波数は約２７（ＧＨｚ）、
約２４（ＧＨｚ）、約２１，５（ＧＨｚ）、約１９（Ｇ
Ｈｚ）、約１６．５（ＧＨｚ）というように急速に小さ
くなる。これより、オーミック抵抗が小さいほど、応答
の高速特性が向上するということが示唆される。

【００１３】一方、光導波路層に電圧を印加すると、導
波路層の屈折率が変化することが知られている。このよ
うな屈折率変化が生じると、導波路層中を伝搬する光の
位相が変わってしまい、位相変調成分が多くなってしま
う。

【００１４】このような検討の結果から、発明者等はオ
ーミック抵抗を小さくし、かつ光導波路層に電界を印加
した場合に生じる二つの屈折率変化、すなわち電界吸収
効果（以下、ＥＡ効果と称する場合がある。）に伴う屈
折率変化と電気光学効果（以下、ＥＯ効果と称する場合
がある。）により生じる屈折率変化が逆符号になるよう
にして総屈折率変化量を減少させれば、上述した従来の
問題点の解決が図れるという結論に達した。

【００１５】従って、この発明による光強度変調装置に
よれば、基板と、基板の上側に第１クラッド層と、第１
クラッド層の上側に光導波路層と、光導波路層の上側に
第２クラッド層と、上側および下側電極とを具え、上側
および下側電極に印加する電界によって、光導波路層の
吸収係数を変化させて入射光の光強度を変化させる光強
度変調装置において、基板を、その上面の面方位が（１
００）面、（０１０）面および（００１）面のうちのい
ずれか１つの面である閃亜鉛鉱形のＰ型半導体基板ある
いは半絶縁性基板とし、第１クラッド層をＰ型クラッド
層とし、第２クラッド層をＮ型クラッド層とし、光導波
路層の方向を、基板の面方位が（１００）面の場合は
〈００１〉方向と〈０−１０〉方向の間あるいは〈００
−１〉方向と〈０１０〉方向の間、基板の面方位が（０
１０）面の場合は〈１００〉方向と〈００−１〉方向の
間あるいは〈−１００〉方向と〈００１〉方向の間、基
板の面方位が（００１）面の場合は〈０１０〉方向と
〈−１００〉方向の間あるいは〈０−１０〉方向と〈１
００〉方向の間とすることを特徴としている。

【００１６】なお、例えば、光導波路層の方向である
〈０１−１〉方向の「−１」は１のバーを便宜的に表し
ている。

【００１７】

【作用】この発明では、電界吸収効果によって付随的に
生じる屈折率変化と、電気光学効果による屈折率変化と
が逆符号になるようにして、総屈折率変化量を減少さ
せ、位相変調成分の少ない強度変調光を得ている。

【００１８】先ず、電界吸収効果（ＥＡ効果）について
簡単に説明する。ＥＡ効果は、あるバンドギャップエネ
ルギーＥ_g0を持つ半導体を、Ｅ_g0よりも小さいフォトン
エネルギーＥ_inの光が通過する場合において、半導体に
電界をかけたときにフォトンエネルギーＥ_inにおける吸
収係数が大きくなり、その光を吸収する現象である。

【００１９】しかし、一般に半導体に電界が印加される
と、その吸収係数だけではなく屈折率も変化する。ＥＡ
効果を用いて光に強度変調をかける場合、半導体のバン
ドギャップエネルギーＥ_g0に対して、被変調光のもつフ
ォトンエネルギーＥ_inは、一般に３０ｍｅＶ〜２００ｍ
ｅＶ小さい。このため、被変調光が、ＥＡ効果によって
受ける屈折率変化の符号は、プラスである。なお、ＥＡ
効果によって生じる屈折率変化の大きさは、導波方向や
印加電界の向きによらない。

【００２０】次に、電気光学効果（ＥＯ効果）について
簡単に説明する。ＥＯ効果は、結晶に電界を印加したと
きに屈折率が変化する現象である。閃亜鉛鉱型の半導体
結晶に電界を印加したときに屈折率は一般に図４に示す
ような屈折率楕円体として表される。ただし、図４中、
電界は〈−１００〉方向に印加するとする。電界が印加
されると、屈折率楕円体は、図４に示すように、実線で
示す円形の曲線ｆから点線で示すだ円形の曲線ｇに変化
する。この変化は印加電圧が大きいほど大きくなり、曲
線ｇから点線で示す、長だ円形の曲線ｈに変化する。

【００２１】このとき原点からの距離が、その方向に電
界ベクトル（以下、Ｅベクトルと称する場合がある。）
をもつ光の屈折率である。なお、図４中、は〈０１
１〉方向、は〈００１〉方向、は〈０−１１〉方
向、は〈０−１０〉方向、は〈０−１−１〉方向、
は〈００−１〉方向、は〈０１−１〉方向、は
〈０１０〉方向である。

【００２２】導波する光がＴＥ偏波であるならば、その
光は常に（１００）平面内に存在する。また、光の進行
方向とＥベクトルは垂直である。このため、原点からの
距離は、その方向と垂直な方向に伝搬する光の屈折率ｎ
を与える。また、Ｅ（電界）ベクトルの方向θを、結晶
の〈０１１〉方向を基準として取ると、すなわち、図４
において、結晶の〈０１１〉方向をθ＝０°とすると、
屈折率ｎは次式で与えられる。

【００２３】 １／ｎ＝｛１／ｎ₀ ²＋ｒ₄₁Ｅ_x ｃｏｓ（２θ）｝^1/2 （１） ただし、ｎ₀ ：電界を印加しないときの屈折率 ｒ₄₁：一次の電気光学係数 Ｅ_x ：電界（＝Ｖ／ｄ） Ｖ ：印加電圧 ｄ ：導波路層の厚さ 従って、屈折率変化量Δｎは、 Δｎ＝ｎ−ｎ₀ ＝ｎ₀ ［１／｛１＋ｒ₄₁ｎ₀ ²Ｅ_x ｃｏｓ（２θ）｝^1/2 −１］ （２） 図５に（２）式を用いて計算した屈折率変化量Δｎの方
向依存性を、縦軸に屈折率変化量Δｎをとり、横軸にＥ
ベクトルの方向θ（角度（°）の単位で示す。）と光導
波路の方向とをとって示している。なお、図５には、ｒ
₄₁＝１．４×１０^-10 ｃｍ／Ｖ、ｎ₀ ＝３．２とし、い
くつかの電界Ｅ_x について、計算して得た結果を示して
いる。図５中、曲線ｉは電界が０Ｖ／ｃｍ、曲線ｊは電
界が０．５×１０⁵ Ｖ／ｃｍ、曲線ｋは電界が１．０×
１０⁵ Ｖ／ｃｍ、曲線ｌは電界が１．５×１０⁵ Ｖ／ｃ
ｍ、曲線ｍは電界が２．０×１０⁵ Ｖ／ｃｍ、曲線ｎは
電界が２．５×１０⁵ Ｖ／ｃｍ、曲線ｏは電界が３．０
×１０⁵ Ｖ／ｃｍの場合である。

【００２４】図５からも理解できるように、電界が変化
しても屈折率変化量ΔｎがΔｎ＝０となるＥベクトルの
方向θは同じ値をとるが、電界が大きくなるにしたがっ
て、同一のθに対するΔｎの値は大きくなってくる。

【００２５】すなわち、図４および図５から明らかなよ
うに、導波光がＥＯ効果によって受ける屈折率変化量Δ
ｎは、印加電界の大きさと向き、およびＥベクトルの方
向、つまり導波路の方向によって決まる。この変化量Δ
ｎがマイナスとなる角度θの範囲は、０°≦θ＜４５
°、１３５°＜θ＜２２５°、３１５°＜θ≦３６０°
であり、これに対する導波路の方向は、〈０−１１〉方
向と〈０−１０〉方向との間、〈００１〉方向と〈０１
０〉方向との間、〈００１〉方向と〈０−１１〉方向と
の間である。ただし、〈０−１１〉方向を含む。

【００２６】従って、この発明では、ｐ型基板を用いて
いるので、オーミック抵抗が実質的に０Ωとなり、した
がって、３ｄＢの減衰は、変調周波数ｆが２８ＧＨｚ程
度で生ずる。さらに、この発明によれば、ｐ型基板の面
方位を、例えば（１００）面とした場合には、導波路の
方向は〈００１〉方向と〈０−１０〉方向の間、あるい
は〈００−１〉方向と〈０１０〉方向の間にしてあるの
で、ＥＡ効果によって付随的に生じる屈折率変化のプラ
ス方向の変化を、ＥＯ効果による屈折率変化量Δｎをマ
イナスにすることによって、総屈折率変化量を減少させ
ることが可能となり、場合によっては、実質的に相殺で
きる。

【００２７】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例を
説明する。これらの図面において、各構成成分は、この
発明が理解出来る程度に各構成成分の形状、大きさ、お
よび配置関係を概略的に示してあるにすぎない。

【００２８】図１は、この発明の実施例である光強度変
調装置を構成する素子の断面図である。光が導波する領
域は、面方位が（１００）面であるｐ−ＩｎＰ基板１０
上に、アンドープト−ＩｎＰ拡散防止層３０とアンドー
プト−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層４０とを、ｐ−ＩｎＰ
下側クラッド層２０とｎ−ＩｎＰ上側クラッド層５０と
によって挟んだｐ−ｉ−ｎ構造で構成されている。これ
らはダブルヘテロ構造をなしている。また、これらの積
層体の上には、ｎ^- −ＩｎＧａＡｓＰオーミックコンタ
クト層６０と上側電極７０とが形成され、下には、下側
電極８０が形成されている。さらに、導波路の左右に
は、光と電界とを閉じ込めるため、横埋め込み層９０が
形成されている。また、導波路の方向は〈０１−１〉方
向である。

【００２９】この実施例では、ｐ型基板１０を用いてい
るため、上側電極７０はｎ型である。通常得られるコン
タクト抵抗は、ｎ型では、１×１０^-6Ωｃｍ^-2である。
これを、長さ２００μｍ、ストライプ幅３μｍの場合に
ついて当てはめオーミック抵抗を計算すると、約０．１
７Ωとなり、ほとんど０Ωと考えられる。

【００３０】したがって、図２に示すように３ｄＢ落ち
る周波数は上側電極７０がｐ型の場合に比べて約１０Ｇ
Ｈｚ向上する。つまり、上側電極７０のオーミック抵抗
値を極めて小さくできるため、２０ＧＨｚ以上の広帯域
な変調特性が期待出来る。

【００３１】また、この実施例では、面方位が（１０
０）面のｐ型基板１０を用いているため、電界は〈−１
００〉方向にかかる。従って、ｐ型基板１０を用いてＥ
Ａ効果にともなって生じるプラスの屈折率変化をＥＯ効
果によって打ち消す場合、光導波路の形成方向はＥＯ効
果による屈折率変化がマイナスとなる〈００１〉方向と
〈０−１０〉方向の間、あるいは〈００−１〉方向と
〈０１０〉方向の間にすればよい。この方向に光導波路
を形成すれば、光導波層に電界を印加して光の強度変調
を行う場合に、屈折率の総変化量を小さく抑えることが
できるので、位相変調成分が極めて少ない（つまり、低
チャープな）強度変調光を得ることが可能となる。

【００３２】なお、好ましくは、この実施例で用いた、
ＥＯ効果による屈折率変化が最大となり、かつチップ化
時の劈開が容易である〈０１−１〉方向に導波路を形成
するのがよい。

【００３３】また、閃亜鉛鉱型の結晶構造をもつ半導体
では、一次の電気光学係数ｒ₅₂、ｒ₆₃はｒ₄₁と等しい。
したがって、面方位が（０１０）面である基板や、面方
位が（００１）面である基板についても上述した面方位
が（１００）面の場合と同様の効果を得ることが出来
る。表１に、基板の面方位がそれぞれ（１００）面、
（０１０）面、（００１）面の場合について、電界の印
加方向と光導波路の形成方向について示している。基板
の面方位が（１００）面の場合には、電界の印加方向
は、〈−１００〉方向であり、光導波路の形成方向は、
〈００１〉方向と〈０−１０〉方向の間、あるいは〈０
０−１〉方向と〈０１０〉方向の間である。また、基板
の面方位が（０１０）面の場合には、電界の印加方向
は、〈０−１０〉方向であり、光導波路の形成方向は、
〈１００〉方向と〈００−１〉方向の間、あるいは〈−
１００〉方向と〈００１〉方向の間である。また、基板
の面方位が（００１）面の場合には、電界の印加方向
は、〈００−１〉方向であり、光導波路の形成方向は、
〈０１０〉方向と〈−１００〉方向の間、あるいは〈０
−１０〉方向と〈１００〉方向の間である。

【００３４】

【表１】

【００３５】また、基板に半絶縁性の基板を用い、その
上に、下から順にｐ層、ｉ層、ｎ層を形成し、〈−１０
０〉方向に電界がかかる導波路を〈０１−１〉方向に形
成しても上述したｐ型半導体基板の場合と同様の効果を
得ることが出来る。

【００３６】この発明は、上述した実施例に限定される
ものではないことは明らかである。例えば、上述の実施
例では、導波路層として、バルク型の導波路層を用いて
いるが、多重量子井戸構造の導波路層に電界を印加した
ときに生じる効果（ＱＣＳＥ：量子閉じ込めシュタルク
効果）による屈折率変化を打ち消すために上述の方法を
用い、総屈折率変化量を極めて小さくすることができ
る。

【００３７】

【発明の効果】上述した説明から明らかなように、この
発明の光強度変調装置によれば、上側電極はｎ型である
ため、オーミック抵抗値を極めて小さく出来る。このた
め、２０ＧＨｚ以上の広帯域な変調特性が可能となる。

【００３８】また、ＥＡ効果にともなって生じるプラス
の屈折率変化をＥＯ効果によって打ち消すように光導波
路を形成する。このため、光導波層に電界を印加させ
て、光の強度変調を行う場合、位相変調成分が極めて少
ない（つまり、低チャープな）強度変調光を得ることが
可能となる。

【００３９】また、これらのことより、強度変調光通信
において、その伝送距離を飛躍的に延ばしたり、伝送速
度の向上、最小受信電力の向上などがはかれる。また、
各種の光に関係する計測装置に光源として組み込んだ場
合には、より精度の高い計測、測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に用いた光強度変調装置を構成する素子
の断面図である。

【図２】ｉ層にかかる電圧の周波数特性である。

【図３】光強度変調装置の等価回路図である。

【図４】実施例に用いた光強度変調装置に用いる素子の
屈折率楕円体である。

【図５】屈折率変化量の方向依存性である。

【符号の説明】

１０：ｐ−ＩｎＰ基板 ２０：ｐ−ＩｎＰ下側クラッド層 ３０：ｕｎｄｏｐｅｄ−ＩｎＰ拡散防止層 ４０：ｕｎｄｏｐｅｄ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層 ５０：ｎ−ＩｎＰ上側クラッド層 ６０：ｎ^- −ＩｎＧａＡｓＰオーミックコンタクト層 ７０：上側電極 ８０：下側電極 ９０：横埋め込み層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板の上側に第１クラッド層
   と、該第１クラッド層の上側に光導波路層と、該光導波
   路層の上側に第２クラッド層と、上側および下側電極と
   を具え、該上側および下側電極に印加する電界によっ
   て、該光導波路層の吸収係数を変化させて入射光の光強
   度を変化させる光強度変調装置において、 前記基板を、その上面の面方位が（１００）面、（０１
   ０）面および（００１）面のうちのいずれか１つの面で
   ある閃亜鉛鉱形のＰ型半導体基板あるいは半絶縁性基板
   とし、 前記第１クラッド層をＰ型クラッド層とし、 前記第２クラッド層をＮ型クラッド層とし、 前記光導波路層の方向を、前記基板の面方位が（１０
   ０）面の場合は〈００１〉方向と〈０−１０〉方向の間
   あるいは〈００−１〉方向と〈０１０〉方向の間、前記
   基板の面方位が（０１０）面の場合は〈１００〉方向と
   〈００−１〉方向の間あるいは〈−１００〉方向と〈０
   ０１〉方向の間、前記基板の面方位が（００１）面の場
   合は〈０１０〉方向と〈−１００〉方向の間あるいは
   〈０−１０〉方向と〈１００〉方向の間とすることを特
   徴とする光強度変調装置。