JP3951935B2

JP3951935B2 - Electroabsorption optical modulator and optical semiconductor device

Info

Publication number: JP3951935B2
Application number: JP2003046108A
Authority: JP
Inventors: 健良増田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2023-02-24
Also published as: JP2004258116A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電界吸収型光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信では、しばしば、半導体レーザ素子から発したレーザ光を変調器によって変調して光信号を生成する。光変調器としては、マッハツェンダ型変調器（例えば、特許文献１参照）や電界吸収型変調器（例えば、特許文献２参照）を使用することがある。特に、電界吸収型光変調器（以下では、「ＥＡ変調器」と呼ぶ）は、ＤＦＢレーザ素子と同一基板上に集積できるため、有用性が高い。
【０００３】
ＥＡ変調器は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に光吸収層が挟まれた構造を有している。光吸収層は、多重量子井戸構造を有する。光吸収層では、単一の組成および厚さを有する複数の井戸層が複数の障壁層と交互に積層されている。光吸収層を含むｐｎ接合構造に対して逆方向電界を印可すると、ＱＣＳＥ効果（量子閉じ込めシュタルク効果）によって吸収スペクトルが長波長側へシフトする。印可電界が大きいほど、シフト量も大きい。このため、低電界印可時に光吸収層を透過する波長の光が、高電界印可時には光吸収層で吸収されるという現象が起こりうる。このような波長の光の強度は、印可電界の大きさを切り替えることで変調することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３３３７９８０号公報
【特許文献２】
特開平９−５４２９０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光変調器に求められる性能は、主に、消光比およびチャープ特性の二つである。光信号の良好な伝送特性を達成して高速かつ長距離の光通信を行うため、消光比およびチャープ特性には適切な値が存在する。光信号の長距離伝送に必要とされるのは、負のチャープ特性である。チャープ特性は、公知のαパラメータによって数値化される。上記の特許文献１および２でも、αパラメータを考慮して光変調器が設計されている。
【０００６】
αパラメータの設計が比較的自由なマッハツェンダ型変調器と比べて、ＥＡ変調器では、適切なαパラメータを得ることは難しい。ＥＡ変調器では、αパラメータが印可電界に対して非線形に変化し、さらに消光比とも相関しているからである。狭い印可電界範囲でしか適切なαパラメータが得られないと、その印可電界範囲内で電界を変動させても吸収スペクトルが十分にシフトせず、そのために十分な消光比が得られないことがある。したがって、できるだけ広い印可電界範囲で良好なαパラメータを実現することが要望されている。
【０００７】
そこで、本発明は、広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを有するように製造可能な電界吸収型光変調器を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の電界吸収型光変調器は、複数の井戸層と複数の障壁層が交互に積層された光吸収層を備えている。複数の井戸層には、第１のバンドギャップエネルギーを有する複数の第１井戸層と、その第１バンドギャップエネルギーより高い第２のバンドギャップエネルギーを有する複数の第２井戸層とが含まれている。第１および第２井戸層が交互に積層されている。第２井戸層の層厚が第１井戸層の層厚よりも大きい。第１井戸層のバンドギャップエネルギーおよび層厚は、すべての第２井戸層を第１井戸層で置き換えたときに光変調器のαパラメータが逆方向電界の増加に伴って単調に減少するような値を有している。第２井戸層のバンドギャップエネルギーおよび層厚は、すべての第１井戸層を第２井戸層で置き換えたときに光変調器のαパラメータが逆方向電界の増加に伴って増加した後、減少するような値を有している。第１井戸層と第２井戸層の間には、障壁層が配置されている。光吸収層、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を有するｐｎ接合構造に印可される逆方向電界に応じて、光吸収層中の光の強度が変調される。
【０００９】
本発明の光変調器の光吸収層は、従来のように単一の井戸層から構成されているのではなく、少なくとも２種類の井戸層から構成されている。この光変調器では、各井戸層が与えるαパラメータの電界依存性が合成される。このため、各井戸層の組成や厚みを調整することで、αパラメータを柔軟に制御でき、設計自由度が格段に向上する。これにより、単一井戸層からなる光吸収層では得られないαパラメータの電界依存性を得ることができる。したがって、本発明の光変調器は、広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを有するように製造することが可能である。
【００１０】
光吸収層では、障壁層、第１井戸層、障壁層および第２井戸層が順次に積層された単位構造が複数個積層されていてもよい。第１および第２井戸層が交互に積層されているので、光吸収層における光の分布に偏りが生じにくい。
【００１１】
第１および第２井戸層が、互いに異なる層厚を有していてもよい。井戸層の厚さが大きいほど、同じ大きさの逆方向電界を印可したときのフォトルミネセンス波長の変化量が大きい。したがって、第１および第２井戸層の厚さを調節することにより、αパラメータの電界依存性をいっそう柔軟に制御できる。
【００１２】
第２井戸層の層厚は、第１井戸層の層厚よりも大きいことが好ましい。この場合、同じ大きさの逆方向電界が印可されると、第２井戸層のフォトルミネセンス波長は、第１井戸層のフォトルミネセンス波長よりも大きく長波長側へシフトする。一方、第２井戸層は、第１井戸層よりも高いバンドギャップエネルギーを有しているので、第２井戸層は、第１井戸層よりも低いフォトルミネセンス波長を有している。したがって、低い方のフォトルミネセンス波長が高い方のフォトルミネセンス波長よりも大きく長波長側へシフトする。このため、逆方向電界の印可時に、第１井戸層が吸収可能な光の波長範囲との第２井戸層が吸収可能な光の波長範囲とが重なりやすい。その結果、特定の波長の光を変調する際に広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを得ることが容易である。
【００１３】
すべての第２井戸層を第１井戸層で置き換えたときに光変調器のαパラメータが−１．０以上０未満となる逆方向電界の範囲を第１電界範囲とし、すべての第１井戸層を第２井戸層で置き換えたときに光変調器のαパラメータが−１．０以上０未満となる逆方向電界の範囲を第２電界範囲とすると、本発明の光変調器では、−１．０以上０未満のαパラメータを与える逆方向電界の範囲が第１および第２電界範囲のいずれよりも広くなっていることが好ましい。この場合、本発明の光変調器は、第１井戸層のみ、または第２井戸層のみから構成される光変調器よりも良好なαパラメータを与える電界範囲が広いので、長距離光通信で好適に使用できる。
【００１４】
第１井戸層のバンドギャップエネルギーおよび層厚は、すべての第２井戸層を第１井戸層で置き換えたときに光変調器のαパラメータが逆方向電界の増加に伴って単調に減少するような値を有していてもよい。第２井戸層のバンドギャップエネルギーおよび層厚は、すべての第１井戸層を第２井戸層で置き換えたときに光変調器のαパラメータが逆方向電界の増加に伴って増加した後、減少するような値を有していてもよい。これら２種類のαパラメータ電界依存性を有する二つの井戸層を組み合わせると、広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを得やすい。
【００１５】
逆方向電界が所定の下限値から所定の上限値に変化したときの第１井戸層のフォトルミネセンス波長の変化量をΔλ１とし、逆方向電界が上記下限値から上記上限値に変化したときの第２井戸層のフォトルミネセンス波長の変化量をΔλ２としたときに、｜Δλ１−Δλ２｜≦１００ｎｍが満たされていることが好ましい。この場合、逆方向電界を下限値と上限値の間で変化させるときに、第１井戸層が吸収可能な光の波長範囲と第２井戸層が吸収可能な光の波長範囲とを重ねることができる。したがって、広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを得ることが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
図１は、本実施形態の電界吸収型光変調器（以下、「ＥＡ変調器」と呼ぶ）１２０を含む光半導体素子５０を示す斜視図である。図２は、図１に示される光半導体素子５０のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。光半導体素子５０は、分布帰還型半導体レーザ素子（以下、「ＤＦＢレーザ素子」と呼ぶ）１１０、ＥＡ変調器１２０および分離部１３０から構成されている。分離部１３０は、ＤＦＢレーザ素子１１０とＥＡ変調器１２０との間に設けられている。ＤＦＢレーザ素子１１０とＥＡ変調器１２０とは、同一の基板２上に集積されている。基板２は、ｎ型ＩｎＰからなる。光半導体素子１には、トレンチ１９ａおよび１９ｂが設けられている。トレンチ１９ａおよび１９ｂは、一つの方向に延びるメサ構造６０を画定する。
【００１８】
図２に示されるように、レーザ素子１１０は、ｎ型クラッド層３ｍ、光ガイド層４ｍ、活性層５ｍ、光ガイド層６ｍ、およびｐ型の第１クラッド層７ｍを有する。これらの半導体層は、基板２上に設けられている。活性層５ｍは、光ガイド層４ｍおよび６ｍの間に設けられている。活性層５ｍならびに光ガイド層４ｍおよび６ｍは、クラッド層３ｍと第１クラッド層７ｍとの間に設けられている。光ガイド層６ｍとｐ型第１クラッド層７ｍとの界面には回折格子６ａが設けられている。
【００１９】
ＥＡ変調器１２０は、ｎ型クラッド層１３ｍ、光ガイド層１４ｍ、活性層１５ｍ、光ガイド層１６ｍ、およびｐ型の第１クラッド層１７ｍを有する。これらの半導体層は、基板２上に設けられている。活性層１５ｍは、レーザ素子１１０で生成されたレーザ光を増幅する作用を有するとともに、印可電界の強度に応じて変化する光吸収係数を有する光吸収層としても動作する。以下では、活性層１５ｍを光吸収層と呼ぶことにする。光吸収層１５ｍは、光ガイド層１４ｍおよび１６ｍの間に設けられている。光吸収層１５ｍならびに光ガイド層１４ｍおよび１６ｍは、クラッド層１３ｍと第１クラッド層１７ｍとの間に設けられている。
【００２０】
半導体層３ｍ〜７ｍから成るｐｎ接合構造Ｗ₁は、半導体層１３ｍ〜１７ｍから成るｐｎ接合構造Ｗ₂と境界Ｂにおいて接合されている。これらのｐｎ接合構造は、光導波路として機能する。本実施形態では、分離部１３０は、ＥＡ変調器１２０と同じ半導体層により構成されている。ただし、これに限定されるものではない。図２では、回折格子６ａは、光ガイド層６ｍと第１クラッド層７ｍとの間に形成されている。しかし、回折格子６ａは、クラッド層３ｍと光ガイド層４ｍとの間に設けられてもよい。
【００２１】
上記各層の組成を以下に示す。なお、簡単のため、Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_1-yＰ_y半導体（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）をＩｎＧａＡｓＰと記す。
・ｎ型クラッド層３ｍ、１３ｍ：ＳｉドープＩｎＰ
・光ガイド層４ｍ、１４ｍ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ
・活性層５ｍおよび光吸収層１５ｍ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ
・光ガイド層６ｍ、１６ｍ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ
・ｐ型第１クラッド層７ｍ、１７ｍ：ＺｎドープＩｎＰ
ｎ型クラッド層３ｍ、１３ｍおよびｐ型第１クラッド層７ｍ、１７ｍは、活性層５ｍ、光吸収層１５ｍおよび光ガイド層４ｍ、１４ｍよりも低い屈折率を有する。このため、レーザ光は、活性層５ｍ、光吸収層１５ｍおよび光ガイド層４ｍ、１４ｍに閉じ込められる。
【００２２】
活性層５ｍおよび光吸収層１５ｍは、多重量子井戸（Multi-Quantum Well：ＭＱＷ）構造を有している。これらのＭＱＷ構造および回折格子６ａの構造は、所定の波長の光を生成およびレーザ増幅するように決定される。本実施形態では、レーザ光の波長は、１．５３０μｍである。
【００２３】
図２に示されるように、光半導体素子５０は、ｐ型の第２クラッド層８ｍを更に有する。第２クラッド層８ｍは、レーザ素子１１０、ＥＡ変調器１２０、および分離部１３０のために共通に設けられている。第２クラッド層８ｍは、ｐ型第１クラッド層７ｍ、１７ｍと同様にｐ型ＩｎＰから構成される。よって、第２クラッド層８ｍは、第１クラッド層７ｍ、１７ｍと共に、レーザ光を光ガイド層、活性層および光吸収層に閉じ込めるために役立つ。
【００２４】
第２クラッド層８ｍは、第１の部分８０ａ、第２の部分８０ｂ、および第３の部分８０ｃを有する。第１の部分８０ａ上には、コンタクト層９ａを介して、レーザ素子１１０用の電極９０ａが形成されている。第３の部分８０ｃ上には、コンタクト層９ｂを介して、ＥＡ変調器１２０用の電極９０ｂが形成されている。基板２の裏面には、レーザ素子１１０およびＥＡ変調器１２０に共通に使用される電極９０ｃが形成されている。
【００２５】
本実施形態の特徴は、活性層１５ｍのＭＱＷ構造にある。以下では、図３を参照しながら、活性層１５ｍのＭＱＷ構造を詳しく説明する。図３は、活性層１５ｍのエネルギーバンド図である。
【００２６】
活性層１５ｍのＭＱＷ構造の特徴は、２種類の井戸層２１および２２を含むことである。後述するように、これらの井戸層２１および２２は、互いに異なるバンドギャップエネルギーおよび層厚を有する。活性層１５ｍでは、障壁層２０と井戸層２１および２２とが交互に積層されている。障壁層２０は、第１の井戸層２１と第２の井戸層２２の間に配置されている。最も基板２に近い障壁層２０は、光ガイド層１４ｍと隣接している。最も電極９０ｂに近い障壁層２０は、光ガイド層１６ｍと隣接している。
【００２７】
活性層１５ｍでは、連続して積層された障壁層２０、第１井戸層２１、障壁層２０および第２井戸層２２からなる単位構造２５が複数積層されている。したがって、第１および第２井戸層２１、２２も、交互に配置されている。井戸層２１および２２の各々の上面および下面には、障壁層２０が隣接している。第１井戸層２１と第２井戸層２２が交互に積層されているので、光吸収層１５ｍにおけるレーザ光の分布に偏りが生じにくい。
【００２８】
障壁層２０、第１井戸層２１および第２井戸層２２は、いずれもＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_1-yＰ_yから構成されている。障壁層２０では、ｘ＝０．１６４０、ｙ＝０．６４９５であり、第１井戸層２１では、ｘ＝０．２３１５、ｙ＝０．２５６８であり、第２井戸層２２では、ｘ＝０．２０００、ｙ＝０．３２２０５である。
【００２９】
第１および第２井戸層２１、２２は、互いに異なるバンドギャップエネルギーおよび層厚を有している。第１井戸層２１のバンドギャップエネルギーＥｇ₁は、７７７ｍｅＶであり、その厚さは、６ｎｍである。第２井戸層２２のバンドギャップエネルギーＥｇ₂は、８１０ｍｅＶであり、その厚さは、８ｎｍである。障壁層２０のバンドギャップエネルギーＥｇ_bは、１０８６ｍｅＶであり、その厚さは、１０ｎｍである。
【００３０】
以下では、光半導体素子５０の動作について説明する。図２に示されるように、レーザ素子１１０では、ｐ型半導体に電気的に接続された電極９０ａが直流電源９１の陽極に接続され、ｎ型半導体に電気的に接続された電極９０ｃが電源９１の陰極に接続される。したがって、レーザ素子１１０のｐｎ接合構造（光導波路）Ｗ₁には、順方向のバイアス電圧が印加される。ＥＡ変調器１２０では、ｐ型半導体に電気的に接続された電極９０ｂが電源９２の陰極に接続され、ｎ型半導体に電気的に接続された電極９０ｃが電源９２の陽極に接続される。したがって、ＥＡ変調器１２０のｐｎ接合構造（光導波路）Ｗ₂には、逆方向のバイアス電圧が印加される。電源９２は、変調信号Ｓを受け、変調信号Ｓに応じた電圧を出力することができる。変調信号Ｓは例えばパルス信号であってよい。電極９０ｃは、レーザ素子１１０およびＥＡ変調器１２０に共用されている。
【００３１】
レーザ素子１１０に上述の通り電圧が印加されると、レーザ素子１１０の活性層５ｍから光が放射される。すると、レーザ発振が起こり、レーザ光が光導波路Ｗ₁内を伝搬する。このレーザ光は、光導波路Ｗ₁からＥＡ変調器１２０の光導波路Ｗ₂へ入射する。
【００３２】
ＥＡ変調器１２０に比較的低い逆方向電圧が印加されているとき、光吸収層１５ｍの実効的なフォトルミネセンス波長は、発振波長λ＝１．５３０μｍに比べて短い。このため、レーザ光は吸収されることなく活性層１５ｍを伝搬する。しかし、ＥＡ変調器１２０に十分に高い逆方向電圧が印加されると、光吸収層１５ｍにおいて量子閉じ込めシュタルク効果(ＱＣＳＥ：Quantum Confined Stark Effect)が生じ、光が吸収されるようになる。したがって、変調信号Ｓに応じて変化する逆方向電圧が電源９２からＥＡ変調器１２０に印加されると、レーザ光の強度が変調信号Ｓに応じて変調される。この変調されたレーザ光が、光半導体素子５０から放射される。
【００３３】
上述のように、光吸収層１５ｍでは、バンドギャップエネルギーの異なる井戸層２１および２２が混在している。このため、ＥＡ変調器１２０は、井戸層２１および２２の光吸収特性およびチャープ特性が合成された光吸収特性およびチャープ特性を有する。以下では、図４〜図９を参照しながら、井戸層２１および２２の特性の合成を説明する。
【００３４】
図４は、光吸収層１５ｍの吸収スペクトルを示している。図５は、光吸収層１５ｍにおけるすべての第２井戸層２２を第１井戸層２１で置き換えたＭＱＷ構造、すなわち障壁層２０と第１井戸層２１のみが交互に積層されたＭＱＷ構造の吸収スペクトルを示している。図６は、光吸収層１５ｍにおけるすべての第１井戸層２１を第２井戸層２２で置き換えたＭＱＷ構造、すなわち障壁層２０と第２井戸層２２のみが交互に積層されたＭＱＷ構造の吸収スペクトルを示している。これらの図の横軸は波長を示し、縦軸は光吸収係数を示している。各図には、光吸収層１５ｍに印可される様々な逆方向電圧に対して吸収スペクトルが描かれている。
【００３５】
吸収スペクトルのピーク波長がフォトルミネセンス波長である。図面の簡単のため、図４〜図６では、電界強度５０ｋＶ／ｃｍに対する吸収スペクトルについてのみフォトルミネセンス波長λ_PLが示されている。フォトルミネセンス波長は、逆方向電界の強度の増加に伴って長波長側にシフトする。これは、井戸層のバンドギャップエネルギーが逆方向電界の印可によって実効的に減少することに起因する。
【００３６】
図５と図６を比較すると明らかなように、井戸層として第２井戸層２２のみを含む光吸収層の吸収スペクトルの方が、井戸層として第１井戸層２１のみを含む光吸収層の吸収スペクトルよりも、同じ量の電界強度変化に対するフォトルミネセンス波長のシフト量が大きい。これは、第２井戸層２２が第１井戸層２１よりも厚いからである。つまり、井戸層が厚いほど、逆方向電界の印可による伝導帯と価電子帯とのエネルギー差の実効的な減少が大きいからである。
【００３７】
第１および第２井戸層２１、２２が混在する本実施形態の光吸収層１５ｍの吸収スペクトル（図４）は、井戸層として第１井戸層２１のみを含む光吸収層の吸収スペクトル（図５）と、井戸層として第２井戸層２２のみを含む光吸収層の吸収スペクトル（図６）とを合成したものになる。すなわち、図４における光吸収係数は、図５の光吸収係数と図６の光吸収係数とを加算した値の１／２である。また、光吸収層１５ｍの吸収スペクトルは、第１井戸層のみ、または第２井戸層のみを有する光吸収層よりも大きなピーク半値幅を有している。したがって、光吸収層１５ｍは、第１または第２井戸層を単独で有する光吸収層よりも広い波長範囲にわたって光を吸収する。
【００３８】
図７は、本実施形態のＥＡ変調器１２０に関してαパラメータの電界依存性を示すグラフである。図８は、ＥＡ変調器１２０の光吸収層１５ｍにおいて、すべての第２井戸層２２を第１井戸層２１で置き換えたＥＡ変調器に関して、αパラメータの電界依存性を示すグラフである。図９は、ＥＡ変調器１２０の光吸収層１５ｍにおいて、すべての第１井戸層２１を第２井戸層２２で置き換えたＥＡ変調器に関して、αパラメータの電界依存性を示すグラフである。図７〜図９において、縦軸は、αパラメータを示し、横軸はＥＡ変調器に印可される逆方向電界の強度を示している。
【００３９】
αパラメータは、ＥＡ変調器に逆方向電界Ｆ（ｋＶ／ｃｍ）を印可したときの、光吸収係数変化Δαに対する屈折率変化Δｎの比として、次のように定義される。
【００４０】
【数１】

【００４１】
ここで、αｐはαパラメータを示し、λ₀は被変調光の波長を示す。本実施形態では、λ₀はＤＦＢレーザ素子１１０のレーザ発振波長に等しく、１．５３０μｍである。光吸収係数変化と屈折率変化は独立ではなく、Kramers-Kroenig変換と呼ばれる関係で結ばれている。結果として、αｐは、次式のように表される。
【００４２】
【数２】

【００４３】
ここで、Ｐ．Ｖ．は、積分の主値を取ることを意味する。ＥＡ変調器のΔαを測定すれば、上記（１）式にしたがってαパラメータを算出することができる。Δαは、ＥＡ変調器の吸収スペクトルを測定することにより求めることができる。
【００４４】
図７〜図９を比較すると明らかなように、ＥＡ変調器１２０におけるαパラメータの電界依存性（図７）は、井戸層として第１井戸層２１のみを含むＥＡ変調器におけるαパラメータ電界依存性（図８）と、井戸層として第２井戸層２２のみを含むＥＡ変調器におけるαパラメータ電界依存性（図９）とを合成したものになる。図７に示されるように、ＥＡ変調器１２０では、一般に好適とされるαパラメータの範囲−１．０≦αｐ＜０が得られる電界強度範囲は、５４〜１４４ｋＶ／ｃｍである。図８に示されるように、第１井戸層２１のみを井戸層として含むＥＡ変調器のαパラメータは、逆方向電界の強度の増加に応じて単調に減少する。好適なαパラメータ範囲−１．０≦αｐ＜０が得られる電界強度範囲は、６２〜１３８ｋＶ／ｃｍである。図９に示されるように、第２井戸層２２のみを井戸層として含むＥＡ変調器のαパラメータは、逆方向電界の強度の増加に応じて増加した後、減少する。好適なαパラメータ範囲−１．０≦αｐ＜０が得られる電界強度範囲は二つあり、０〜６８ｋＶ／ｃｍと１０３〜１４７ｋＶ／ｃｍである。
【００４５】
本実施形態の光吸収層１５ｍでは、上記のαパラメータ電界依存性を与える二つの井戸層２１および２２が混在している。これにより、−１．０≦αｐ＜０のαパラメータ範囲を与える電界強度範囲が拡大されている。図８および図９に示されるように、低電界領域では、第１井戸層２１のみを井戸層として有するＥＡ変調器のαパラメータが電界の増加に応じて減少するのに対し、第２井戸層２２のみを井戸層として有するＥＡ変調器のαパラメータは電界の増加に応じて増加する。すなわち、低電界領域において電界依存性が打ち消し合う。このため、ＥＡ変調器１２０では、低電界領域においてαパラメータが緩やかな電界依存性を示す。この結果、ＥＡ変調器１２０では、−１．０≦αｐ＜０のαパラメータ範囲を与える電界強度範囲が、第１井戸層２１のみを有するＥＡ変調器や第２井戸層２２のみを有するＥＡ変調器に比べて広い。
【００４６】
ＥＡ変調器１２０に印可する逆方向電界を低値と高値の間で切り替えて光変調動作を行う場合、高電界値の印可時に、２種類の井戸層２１、２２が吸収可能な光の波長範囲が重なり合うことが重要である。この低電界値および高電界値は、例えば、−１．０以上０未満のαパラメータを与える逆方向電界の下限および上限である。重なり合う吸収可能波長範囲内の波長を有する光は、良好なαパラメータを維持しつつ十分な消光比で変調することができる。
【００４７】
第２井戸層２２は、第１井戸層２１よりも高いバンドギャップエネルギーを有している。このため、第２井戸層２２は、第１井戸層２１よりも低いフォトルミネセンス波長を有している。第２井戸層２２は、第１井戸層２１よりも厚い。したがって、同じ大きさの逆方向電界が印可されれば、第２井戸層２２のフォトルミネセンス波長は、第１井戸層２１のフォトルミネセンス波長よりも大きく長波長側へシフトする。このように、井戸層２１および２２のバンドギャップエネルギーおよび層厚は、低い方のフォトルミネセンス波長が高い方のフォトルミネセンス波長よりも大きく長波長側へシフトするように決められている。このため、逆方向電界を低値と高値の間で変化させたとき、第１井戸層２１と第２井戸層２２の間で吸収可能な波長範囲が重なりやすい。その結果、その重なっている波長範囲内の波長を有する光に関して、広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを得ることができる。また、その重なっている波長範囲内の波長を有する光を十分な消光比で変調することができる。
【００４８】
以下では、図１０および図１１を参照しながら、第１井戸層２１が吸収可能な波長範囲と第２井戸層２２が吸収可能な波長範囲とが重なり合う条件を検討する。図１０は、井戸層として第１井戸層２１のみを有するＭＱＷ構造の吸収スペクトルを示している。図１１は、井戸層として第２井戸層２２のみを有するＭＱＷ構造の吸収スペクトルを示している。図１０および図１１では、印可する逆方向電界を５０ｋＶ／ｃｍから１５０ｋＶ／ｃｍまで変化させたときのフォトルミネセンス波長のシフト量がそれぞれΔλ１、Δλ２で示されている。この場合、逆方向電界の変化量は、１００ｋＶ／ｃｍである。
【００４９】
すでに述べたように、より厚い井戸層から構成されるＭＱＷ構造ほど、印可電界の変化に対するフォトルミネセンス波長のシフト量が大きい。ＥＡ変調器で使用される量子井戸層の層厚の上限は、一般に、１２ｎｍである。この井戸層に関して印可電界を１００ｋＶ／ｃｍだけ変化させたときの波長シフト量は、約１００ｎｍである。これは、波長シフト量の一般的な最大値である。したがって、
｜Δλ１−Δλ２｜≦１００ｎｍ（３）
であれば、第１井戸層２１が吸収可能な光の波長範囲と第２井戸層２２が吸収可能な光の波長範囲とを重ねることが可能になる。これにより、好適なαパラメータを与える印可電界範囲を拡大するとともに、十分な消光比を得ることが可能となる。
【００５０】
１００ｎｍの波長シフト量は、５０ｍｅＶのエネルギー変化に相当する。すなわち、上記の条件式（３）は、
｜ΔＥ１−ΔＥ２｜≦５０ｍｅＶ（４）
のように表すこともできる。ここで、ΔＥ１およびΔＥ２は、井戸層２１および２２の各々について、印可電界の増加に応じたバンドギャップエネルギーの実効的な変化量を示す。
【００５１】
以下では、本実施形態の利点を説明する。上述のように、第１および第２井戸層２１、２２のバンドギャップエネルギーは、第１井戸層２１または第２井戸層２２を単独で有するＥＡ変調器に関して−１．０≦αｐ＜０のαパラメータ範囲を与える印可電界範囲よりも広い印可電界範囲をＥＡ変調器１２０が有するように決められている。図７に示されるように、ＥＡ変調器１２０に関して−１．０≦αｐ＜０のαパラメータ範囲が得られる電界強度範囲は、５４〜１４４ｋＶ／ｃｍである。図４から明らかなように、レーザ発振波長である１．５３０μｍに対する光吸収係数は、逆方向電界が５４ｋＶ／ｃｍのとき十分に小さく、１４４ｋＶ／ｃｍのとき十分に大きい。このため５４ｋＶ／ｃｍと１４４ｋＶ／ｃｍとの間で印可電界を切り替えると、好適なαパラメータ値を維持しながらレーザ光の強度を十分な消光比で変調することができる。したがって、ＥＡ変調器１２０は、長距離光通信で好適に使用することができる。
【００５２】
光吸収層１５ｍのチャープ特性は、２種類の井戸層２１、２２のバンドギャップエネルギーを独立に選択することにより制御できる。このため、ＥＡ変調器１２０は、１種類の井戸層のみから構成される従来のＥＡ変調器よりも格段に高い設計自由度を有している。
【００５３】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００５４】
上記実施形態では、光吸収層１５ｍに２種類の井戸層２１および２２が含まれている。しかし、光吸収層には、バンドギャップエネルギーの異なる３種類以上の井戸層が含まれていてもよい。
【００５５】
上記実施形態では、ＥＡ変調器がＤＦＢレーザ素子と同一基板上に集積されている。しかし、ＥＡ変調器は、光源と別個の素子であってもよい。本発明のＥＡ変調器は、各井戸層に対応する吸収スペクトルの合成により拡大されたピーク半値幅を有する吸収スペクトルを有することができる。このため、本発明のＥＡ変調器は、光源波長のデチューニングに対して波長マージンが大きい。これに対し、従来のＥＡ変調器では、光源波長のデチューニングによりαパラメータの電界依存性が大きく変化するので、井戸層の組成を厳密に制御しなければならない。
【００５６】
【発明の効果】
この発明の電界吸収型光変調器は、バンドギャップエネルギーの異なる複数の井戸層を含む光吸収層を備えているので、広い印可電界範囲にわたって良好なαパラメータを有するように製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の光変調器を示す斜視図である。
【図２】実施形態の光変調器を示す断面図である。
【図３】光吸収層のエネルギーバンド図である。
【図４】実施形態の光変調器の吸収スペクトルを示す図である。
【図５】第１井戸層のみを有する光変調器の吸収スペクトルを示す図である。
【図６】第２井戸層のみを有する光変調器の吸収スペクトルを示す図である。
【図７】実施形態の光変調器のチャープ特性を示す図である。
【図８】第１井戸層のみを有する光変調器のチャープ特性を示す図である。
【図９】第２井戸層のみを有する光変調器のチャープ特性を示す図である。
【図１０】第１井戸層のみを有する光変調器について、電界強度の変化に応じた吸収スペクトルのシフトを示す図である。
【図１１】第２井戸層のみを有する光変調器について、電界強度の変化に応じた吸収スペクトルのシフトを示す図である。
【符号の説明】
２…基板、３ｍおよび１３ｍ…ｎ型クラッド層、４ｍ、６ｍ、１４ｍおよび１６ｍ…光ガイド層４ｍ、５ｍ…活性層、６…回折格子、７ｍおよび１７ｍ…ｐ型第１クラッド層、１５ｍ…光吸収層、２０…障壁層、２１…第１井戸層、２２…第２井戸層、２５…単位構造、５０…光半導体素子、１１０…分布帰還型半導体レーザ素子、１２０…電界吸収型光変調器、１３０…分離部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electroabsorption optical modulator.
[0002]
[Prior art]
In optical communication, laser light emitted from a semiconductor laser element is often modulated by a modulator to generate an optical signal. As the optical modulator, a Mach-Zehnder type modulator (for example, see Patent Document 1) or an electroabsorption type modulator (for example, see Patent Document 2) may be used. In particular, an electroabsorption optical modulator (hereinafter referred to as “EA modulator”) is highly useful because it can be integrated on the same substrate as the DFB laser element.
[0003]
The EA modulator has a structure in which a light absorption layer is sandwiched between a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. The light absorption layer has a multiple quantum well structure. In the light absorption layer, a plurality of well layers having a single composition and thickness are alternately stacked with a plurality of barrier layers. When a reverse electric field is applied to the pn junction structure including the light absorption layer, the absorption spectrum is shifted to the longer wavelength side by the QCSE effect (quantum confined Stark effect). The greater the applied electric field, the greater the shift amount. For this reason, a phenomenon may occur in which light having a wavelength transmitted through the light absorption layer when a low electric field is applied is absorbed by the light absorption layer when a high electric field is applied. The intensity of light having such a wavelength can be modulated by switching the magnitude of the applied electric field.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3337980
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-54290
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The performance required for the optical modulator is mainly two, the extinction ratio and the chirp characteristic. In order to achieve high-speed and long-distance optical communication by achieving good optical signal transmission characteristics, there are appropriate values for the extinction ratio and chirp characteristics. What is required for long-distance transmission of optical signals is a negative chirp characteristic. The chirp characteristic is quantified by a known α parameter. In the

above Patent Documents

1 and 2, the optical modulator is designed in consideration of the α parameter.
[0006]
Compared to a Mach-Zehnder type modulator that allows a relatively free design of the α parameter, it is difficult to obtain an appropriate α parameter in the EA modulator. This is because in the EA modulator, the α parameter changes nonlinearly with respect to the applied electric field, and further correlates with the extinction ratio. If an appropriate α parameter is obtained only in a narrow applied electric field range, even if the electric field is varied within the applied electric field range, the absorption spectrum may not be sufficiently shifted, and thus a sufficient extinction ratio may not be obtained. . Therefore, it is desired to realize a good α parameter in the widest applied electric field range.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to provide an electroabsorption optical modulator that can be manufactured to have a favorable α parameter over a wide applied electric field range.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The electroabsorption optical modulator of the present invention includes a light absorption layer in which a plurality of well layers and a plurality of barrier layers are alternately stacked. The plurality of well layers have a first band gap energy Multiple first well layers And a second band gap energy higher than the first band gap energy. Multiple second well layers And are included. The first and second well layers are alternately stacked. The thickness of the second well layer is larger than the thickness of the first well layer. The band gap energy and the layer thickness of the first well layer are such that when all the second well layers are replaced with the first well layers, the α parameter of the optical modulator decreases monotonously as the reverse electric field increases. Has a value. The band gap energy and the layer thickness of the second well layer decrease after the α parameter of the optical modulator increases with increasing reverse electric field when all the first well layers are replaced with the second well layers. It has such a value. A barrier layer is disposed between the first well layer and the second well layer. The intensity of light in the light absorption layer is modulated according to a reverse electric field applied to a pn junction structure having a light absorption layer, a p-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer.
[0009]
The light absorption layer of the optical modulator of the present invention is not composed of a single well layer as in the prior art, but is composed of at least two types of well layers. In this optical modulator, the electric field dependence of the α parameter given by each well layer is synthesized. For this reason, by adjusting the composition and thickness of each well layer, the α parameter can be flexibly controlled, and the degree of freedom in design is greatly improved. Thereby, it is possible to obtain the electric field dependence of the α parameter that cannot be obtained by the light absorption layer composed of a single well layer. Therefore, the optical modulator of the present invention can be manufactured to have a good α parameter over a wide applied electric field range.
[0010]
In the light absorption layer, a plurality of unit structures in which the barrier layer, the first well layer, the barrier layer, and the second well layer are sequentially stacked may be stacked. Since the first and second well layers are alternately stacked, the light distribution in the light absorption layer is less likely to be biased.
[0011]
The first and second well layers may have different layer thicknesses. The greater the thickness of the well layer, the greater the amount of change in photoluminescence wavelength when a reverse electric field of the same magnitude is applied. Therefore, by adjusting the thicknesses of the first and second well layers, the electric field dependence of the α parameter can be controlled more flexibly.
[0012]
The layer thickness of the second well layer is preferably larger than the layer thickness of the first well layer. In this case, when a reverse electric field having the same magnitude is applied, the photoluminescence wavelength of the second well layer is shifted to a longer wavelength side than the photoluminescence wavelength of the first well layer. On the other hand, since the second well layer has a higher band gap energy than the first well layer, the second well layer has a lower photoluminescence wavelength than the first well layer. Therefore, the lower photoluminescence wavelength is shifted to the longer wavelength side than the higher photoluminescence wavelength. For this reason, when a reverse electric field is applied, the wavelength range of light that can be absorbed by the second well layer easily overlaps with the wavelength range of light that can be absorbed by the first well layer. As a result, it is easy to obtain a favorable α parameter over a wide applied electric field range when modulating light of a specific wavelength.
[0013]
The range of the reverse electric field in which the α parameter of the optical modulator becomes −1.0 or more and less than 0 when all the second well layers are replaced with the first well layers is defined as the first electric field range, and all the first well layers When the reverse electric field range in which the α parameter of the optical modulator is −1.0 or more and less than 0 when the is replaced with the second well layer is the second electric field range, It is preferable that the range of the reverse electric field that gives an α parameter of 0 or more and less than 0 is wider than both the first and second electric field ranges. In this case, the optical modulator of the present invention has a wider electric field range that provides a better α parameter than an optical modulator composed of only the first well layer or only the second well layer, and is therefore suitable for long-distance optical communication. Can be used for
[0014]
The band gap energy and the layer thickness of the first well layer are such that when all the second well layers are replaced with the first well layers, the α parameter of the optical modulator decreases monotonously as the reverse electric field increases. May have a value. The band gap energy and the layer thickness of the second well layer decrease after the α parameter of the optical modulator increases with increasing reverse electric field when all the first well layers are replaced with the second well layers. You may have such a value. Combining these two types of two well layers having an α parameter electric field dependence makes it easy to obtain a good α parameter over a wide applied electric field range.
[0015]
The amount of change in the photoluminescence wavelength of the first well layer when the reverse electric field changes from a predetermined lower limit value to a predetermined upper limit value is Δλ1, and when the reverse electric field changes from the lower limit value to the upper limit value It is preferable that | Δλ1−Δλ2 | ≦ 100 nm is satisfied when the change amount of the photoluminescence wavelength of the second well layer is Δλ2. In this case, when the reverse electric field is changed between the lower limit value and the upper limit value, the wavelength range of light that can be absorbed by the first well layer and the wavelength range of light that can be absorbed by the second well layer may overlap. it can. Therefore, it is possible to obtain a favorable α parameter over a wide applied electric field range.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0017]
FIG. 1 is a perspective view showing an optical semiconductor element 50 including an electroabsorption optical modulator (hereinafter referred to as “EA modulator”) 120 of the present embodiment. 2 is a cross-sectional view taken along line II of the optical semiconductor element 50 shown in FIG. The optical semiconductor element 50 includes a distributed feedback semiconductor laser element (hereinafter referred to as “DFB laser element”) 110, an EA modulator 120, and a separation unit 130. The separation unit 130 is provided between the DFB laser element 110 and the EA modulator 120. The DFB laser element 110 and the EA modulator 120 are integrated on the same substrate 2. The substrate 2 is made of n-type InP. The optical semiconductor element 1 is provided with

trenches

19a and 19b. The

trenches

19a and 19b define a mesa structure 60 that extends in one direction.
[0018]
As shown in FIG. 2, the laser element 110 includes an n-type cladding layer 3m, a light guide layer 4m, an active layer 5m, a light guide layer 6m, and a p-type first cladding layer 7m. These semiconductor layers are provided on the substrate 2. The active layer 5m is provided between the light guide layers 4m and 6m. The active layer 5m and the light guide layers 4m and 6m are provided between the cladding layer 3m and the first cladding layer 7m. A diffraction grating 6a is provided at the interface between the light guide layer 6m and the p-type first cladding layer 7m.
[0019]
The EA modulator 120 includes an n-type cladding layer 13m, a light guide layer 14m, an active layer 15m, a light guide layer 16m, and a p-type first cladding layer 17m. These semiconductor layers are provided on the substrate 2. The active layer 15m functions to amplify the laser light generated by the laser element 110, and also operates as a light absorption layer having a light absorption coefficient that changes in accordance with the strength of the applied electric field. Hereinafter, the active layer 15m is referred to as a light absorption layer. The light absorption layer 15m is provided between the light guide layers 14m and 16m. The light absorption layer 15m and the light guide layers 14m and 16m are provided between the cladding layer 13m and the first cladding layer 17m.
[0020]
Pn junction structure W composed of semiconductor layers 3m to 7m ₁ Is a pn junction structure W composed of semiconductor layers 13m to 17m. ₂ And joined at the boundary B. These pn junction structures function as an optical waveguide. In the present embodiment, the separation unit 130 is configured by the same semiconductor layer as the EA modulator 120. However, it is not limited to this. In FIG. 2, the diffraction grating 6a is formed between the light guide layer 6m and the first cladding layer 7m. However, the diffraction grating 6a may be provided between the cladding layer 3m and the light guide layer 4m.
[0021]
The composition of each layer is shown below. For simplicity, In _1-x Ga _x As _1-y P _y A semiconductor (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) is referred to as InGaAsP.
N-type cladding layers 3m and 13m: Si-doped InP
Light guide layers 4m, 14m: undoped GaInAsP
Active layer 5m and light absorption layer 15m: undoped GaInAsP
Light guide layers 6m and 16m: undoped GaInAsP
P-type

first cladding layer

7m, 17m: Zn-doped InP
The n-type cladding layers 3m and 13m and the p-type first cladding layers 7m and 17m have a lower refractive index than the active layer 5m, the light absorption layer 15m, and the light guide layers 4m and 14m. Therefore, the laser beam is confined in the active layer 5m, the light absorption layer 15m, and the light guide layers 4m and 14m.
[0022]
The active layer 5m and the light absorption layer 15m have a multi-quantum well (MQW) structure. The MQW structure and the structure of the diffraction grating 6a are determined so as to generate and laser-amplify light having a predetermined wavelength. In the present embodiment, the wavelength of the laser light is 1.530 μm.
[0023]
As shown in FIG. 2, the optical semiconductor element 50 further includes a p-type second cladding layer 8m. The second cladding layer 8m is provided in common for the laser element 110, the EA modulator 120, and the separation unit 130. The second cladding layer 8m is made of p-type InP, like the p-type first cladding layers 7m and 17m. Therefore, the second cladding layer 8m, together with the first cladding layers 7m and 17m, serves to confine the laser light in the light guide layer, the active layer, and the light absorption layer.
[0024]
The second cladding layer 8m has a first portion 80a, a second portion 80b, and a third portion 80c. An electrode 90a for the laser element 110 is formed on the first portion 80a via a contact layer 9a. An electrode 90b for the EA modulator 120 is formed on the third portion 80c via the contact layer 9b. On the back surface of the substrate 2, an electrode 90 c commonly used for the laser element 110 and the EA modulator 120 is formed.
[0025]
The feature of this embodiment is the MQW structure of the active layer 15m. Hereinafter, the MQW structure of the active layer 15m will be described in detail with reference to FIG. FIG. 3 is an energy band diagram of the active layer 15m.
[0026]
The feature of the MQW structure of the active layer 15m is that it includes two types of well layers 21 and 22. As will be described later, these well layers 21 and 22 have different band gap energy and layer thickness. In the active layer 15m, the barrier layers 20 and the well layers 21 and 22 are alternately stacked. The barrier layer 20 is disposed between the first well layer 21 and the second well layer 22. The barrier layer 20 closest to the substrate 2 is adjacent to the light guide layer 14m. The barrier layer 20 closest to the electrode 90b is adjacent to the light guide layer 16m.
[0027]
In the active layer 15m, a plurality of unit structures 25 each including a barrier layer 20, a first well layer 21, a barrier layer 20, and a second well layer 22 stacked in succession are stacked. Therefore, the first and second well layers 21 and 22 are also arranged alternately. Barrier layers 20 are adjacent to the upper and lower surfaces of each of the well layers 21 and 22. Since the first well layers 21 and the second well layers 22 are alternately stacked, the distribution of the laser light in the light absorption layer 15m is less likely to be biased.
[0028]
The barrier layer 20, the first well layer 21 and the second well layer 22 are all made of In. _1-x Ga _x As _1-y P _y It is composed of In the barrier layer 20, x = 0.1640 and y = 0.6495, in the first well layer 21, x = 0.2315, and y = 0.2568, and in the second well layer 22, x = 0. 2000, y = 0.32205.
[0029]
The first and second well layers 21 and 22 have different band gap energy and layer thickness. Band gap energy Eg of the first well layer 21 ₁ Is 777 meV, and its thickness is 6 nm. Band gap energy Eg of the second well layer 22 ₂ Is 810 meV, and its thickness is 8 nm. Bandgap energy Eg of the barrier layer 20 _b Is 1086 meV and its thickness is 10 nm.
[0030]
Hereinafter, the operation of the optical semiconductor element 50 will be described. As shown in FIG. 2, in the laser element 110, the electrode 90a electrically connected to the p-type semiconductor is connected to the anode of the DC power source 91, and the electrode 90c electrically connected to the n-type semiconductor is the power source 91. Connected to the cathode. Therefore, the pn junction structure (optical waveguide) W of the laser element 110 ₁ Is applied with a forward bias voltage. In the EA modulator 120, the electrode 90 b electrically connected to the p-type semiconductor is connected to the cathode of the power source 92, and the electrode 90 c electrically connected to the n-type semiconductor is connected to the anode of the power source 92. Therefore, the pn junction structure (optical waveguide) W of the EA modulator 120 ₂ Is applied with a bias voltage in the reverse direction. The power source 92 can receive the modulation signal S and output a voltage corresponding to the modulation signal S. The modulation signal S may be a pulse signal, for example. The electrode 90c is shared by the laser element 110 and the EA modulator 120.
[0031]
When a voltage is applied to the laser element 110 as described above, light is emitted from the active layer 5m of the laser element 110. Then, laser oscillation occurs, and the laser beam is converted into the optical waveguide W. ₁ Propagate inside. This laser beam is an optical waveguide W ₁ To EA modulator 120 optical waveguide W ₂ Incident to
[0032]
When a relatively low reverse voltage is applied to the EA modulator 120, the effective photoluminescence wavelength of the light absorption layer 15m is shorter than the oscillation wavelength λ = 1.530 μm. For this reason, the laser beam propagates through the active layer 15m without being absorbed. However, when a sufficiently high reverse voltage is applied to the EA modulator 120, a quantum confined stark effect (QCSE) is generated in the light absorption layer 15m, and light is absorbed. Therefore, when a reverse voltage that changes according to the modulation signal S is applied from the power source 92 to the EA modulator 120, the intensity of the laser light is modulated according to the modulation signal S. This modulated laser beam is emitted from the optical semiconductor element 50.
[0033]
As described above, in the light absorption layer 15m, the well layers 21 and 22 having different band gap energies are mixed. Therefore, the EA modulator 120 has a light absorption characteristic and a chirp characteristic obtained by synthesizing the light absorption characteristic and the chirp characteristic of the well layers 21 and 22. Hereinafter, the synthesis of the characteristics of the well layers 21 and 22 will be described with reference to FIGS.
[0034]
FIG. 4 shows an absorption spectrum of the light absorption layer 15m. FIG. 5 shows an absorption spectrum of an MQW structure in which all the second well layers 22 in the light absorption layer 15m are replaced with the first well layers 21, that is, an MQW structure in which only the barrier layers 20 and the first well layers 21 are alternately stacked. Is shown. FIG. 6 shows an absorption spectrum of an MQW structure in which all the first well layers 21 in the light absorption layer 15m are replaced with the second well layers 22, that is, an MQW structure in which only the barrier layers 20 and the second well layers 22 are alternately stacked. Is shown. In these figures, the horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the light absorption coefficient. In each figure, absorption spectra are drawn with respect to various reverse voltages applied to the light absorption layer 15m.
[0035]
The peak wavelength of the absorption spectrum is the photoluminescence wavelength. For simplification of the drawings, in FIGS. 4 to 6, the photoluminescence wavelength λ is shown only for the absorption spectrum for the electric field strength of 50 kV / cm. _PL It is shown. The photoluminescence wavelength shifts to the long wavelength side as the strength of the reverse electric field increases. This is because the band gap energy of the well layer is effectively reduced by applying a reverse electric field.
[0036]
As is clear from comparison between FIG. 5 and FIG. 6, the absorption spectrum of the light absorption layer including only the second well layer 22 as the well layer is absorbed by the light absorption layer including only the first well layer 21 as the well layer. The shift amount of the photoluminescence wavelength with respect to the same amount of electric field intensity change is larger than the spectrum. This is because the second well layer 22 is thicker than the first well layer 21. In other words, the thicker the well layer, the greater the effective reduction in the energy difference between the conduction band and the valence band due to the application of the reverse electric field.
[0037]
The absorption spectrum (FIG. 4) of the light absorption layer 15m of this embodiment in which the first and second well layers 21 and 22 coexist is the absorption spectrum of the light absorption layer including only the first well layer 21 as the well layer (FIG. 5). ) And an absorption spectrum (FIG. 6) of a light absorption layer including only the second well layer 22 as a well layer. That is, the light absorption coefficient in FIG. 4 is ½ of the value obtained by adding the light absorption coefficient in FIG. 5 and the light absorption coefficient in FIG. Further, the absorption spectrum of the light absorption layer 15m has a peak half-value width larger than that of the light absorption layer having only the first well layer or only the second well layer. Therefore, the light absorption layer 15m absorbs light over a wider wavelength range than the light absorption layer having the first or second well layer alone.
[0038]
FIG. 7 is a graph showing the electric field dependence of the α parameter for the EA modulator 120 of the present embodiment. FIG. 8 is a graph showing the electric field dependence of the α parameter for the EA modulator in which all the second well layers 22 are replaced with the first well layers 21 in the light absorption layer 15m of the EA modulator 120. FIG. 9 is a graph showing the electric field dependence of the α parameter for the EA modulator in which all the first well layers 21 are replaced with the second well layers 22 in the light absorption layer 15m of the EA modulator 120. 7 to 9, the vertical axis indicates the α parameter, and the horizontal axis indicates the strength of the reverse electric field applied to the EA modulator.
[0039]
The α parameter is defined as the ratio of the refractive index change Δn to the light absorption coefficient change Δα when a reverse electric field F (kV / cm) is applied to the EA modulator.
[0040]
[Expression 1]

[0041]
Where αp is the α parameter and λ ₀ Indicates the wavelength of the modulated light. In this embodiment, λ ₀ Is equal to the laser oscillation wavelength of the DFB laser element 110 and is 1.530 μm. The change in the light absorption coefficient and the change in the refractive index are not independent, and are connected by a relationship called Kramers-Kroenig transformation. As a result, αp is expressed as:
[0042]
[Expression 2]

[0043]
Here, P.I. V. Means to take the principal value of the integral. By measuring Δα of the EA modulator, the α parameter can be calculated according to the above equation (1). Δα can be obtained by measuring the absorption spectrum of the EA modulator.
[0044]
As is clear from comparison of FIGS. 7 to 9, the electric field dependence of the α parameter in the EA modulator 120 (FIG. 7) is the α parameter electric field dependence in the EA modulator including only the first well layer 21 as the well layer. (FIG. 8) and the α parameter electric field dependency (FIG. 9) in an EA modulator including only the second well layer 22 as a well layer. As shown in FIG. 7, in the EA modulator 120, the electric field strength range in which α parameter range −1.0 ≦ αp <0 that is generally suitable is obtained is 54 to 144 kV / cm. As shown in FIG. 8, the α parameter of the EA modulator including only the first well layer 21 as the well layer monotonously decreases as the strength of the reverse electric field increases. The electric field intensity range in which a preferable α parameter range −1.0 ≦ αp <0 is obtained is 62 to 138 kV / cm. As shown in FIG. 9, the α parameter of the EA modulator including only the second well layer 22 as the well layer increases and then decreases as the strength of the reverse electric field increases. There are two electric field intensity ranges in which a preferable α parameter range −1.0 ≦ αp <0 is obtained, which are 0 to 68 kV / cm and 103 to 147 kV / cm.
[0045]
In the light absorption layer 15m of the present embodiment, the two

well layers

21 and 22 giving the α parameter electric field dependency are mixed. Thereby, the electric field strength range which gives the α parameter range of −1.0 ≦ αp <0 is expanded. As shown in FIGS. 8 and 9, in the low electric field region, the α parameter of the EA modulator having only the first well layer 21 as the well layer decreases as the electric field increases, whereas the second well layer The α parameter of an EA modulator having only 22 as a well layer increases as the electric field increases. That is, the electric field dependence cancels out in the low electric field region. For this reason, in the EA modulator 120, the α parameter shows a gentle electric field dependency in the low electric field region. As a result, in the EA modulator 120, the electric field intensity range that gives the α parameter range of −1.0 ≦ αp <0 has the EA modulator having only the first well layer 21 and the EA modulator having only the second well layer 22. Wide compared to the vessel.
[0046]
When the reverse electric field applied to the EA modulator 120 is switched between a low value and a high value to perform a light modulation operation, the wavelength range of light that can be absorbed by the two types of well layers 21 and 22 when a high electric field value is applied. It is important to overlap. The low electric field value and the high electric field value are, for example, the lower limit and the upper limit of the reverse electric field that give an α parameter of −1.0 or more and less than 0. Light having a wavelength within the overlapping absorbable wavelength range can be modulated with a sufficient extinction ratio while maintaining good α parameters.
[0047]
The second well layer 22 has a higher band gap energy than the first well layer 21. For this reason, the second well layer 22 has a lower photoluminescence wavelength than the first well layer 21. The second well layer 22 is thicker than the first well layer 21. Therefore, if a reverse electric field having the same magnitude is applied, the photoluminescence wavelength of the second well layer 22 is shifted to a longer wavelength side than the photoluminescence wavelength of the first well layer 21. Thus, the band gap energy and the layer thickness of the well layers 21 and 22 are determined so that the lower photoluminescence wavelength is shifted to the longer wavelength side than the higher photoluminescence wavelength. For this reason, when the reverse electric field is changed between a low value and a high value, the wavelength ranges that can be absorbed between the first well layer 21 and the second well layer 22 easily overlap. As a result, a good α parameter can be obtained over a wide applied electric field range for light having a wavelength within the overlapping wavelength range. Further, light having a wavelength within the overlapping wavelength range can be modulated with a sufficient extinction ratio.
[0048]
Hereinafter, with reference to FIG. 10 and FIG. 11, the conditions in which the wavelength range that can be absorbed by the first well layer 21 and the wavelength range that can be absorbed by the second well layer 22 are examined. FIG. 10 shows an absorption spectrum of an MQW structure having only the first well layer 21 as a well layer. FIG. 11 shows an absorption spectrum of an MQW structure having only the second well layer 22 as a well layer. 10 and 11, the shift amounts of the photoluminescence wavelengths when the applied reverse electric field is changed from 50 kV / cm to 150 kV / cm are indicated by Δλ1 and Δλ2, respectively. In this case, the amount of change in the reverse electric field is 100 kV / cm.
[0049]
As already described, the MQW structure composed of a thicker well layer has a larger shift amount of the photoluminescence wavelength with respect to a change in applied electric field. The upper limit of the thickness of the quantum well layer used in the EA modulator is generally 12 nm. The wavelength shift amount when the applied electric field is changed by 100 kV / cm with respect to this well layer is about 100 nm. This is a general maximum value of the wavelength shift amount. Therefore,
| Δλ1-Δλ2 | ≦ 100 nm (3)
If so, it is possible to overlap the wavelength range of light that can be absorbed by the first well layer 21 with the wavelength range of light that can be absorbed by the second well layer 22. As a result, it is possible to expand the applied electric field range that gives a suitable α parameter and to obtain a sufficient extinction ratio.
[0050]
A wavelength shift amount of 100 nm corresponds to an energy change of 50 meV. That is, the above conditional expression (3) is
| ΔE1−ΔE2 | ≦ 50 meV (4)
It can also be expressed as Here, ΔE1 and ΔE2 indicate the effective amount of change in the band gap energy corresponding to the increase in applied electric field for each of the well layers 21 and 22.
[0051]
Below, the advantage of this embodiment is demonstrated. As described above, the band gap energy of the first and second well layers 21 and 22 is such that α of −1.0 ≦ αp <0 with respect to the EA modulator having the first well layer 21 or the second well layer 22 alone. It is determined that the EA modulator 120 has an applied electric field range wider than the applied electric field range that provides the parameter range. As shown in FIG. 7, the electric field strength range in which the α parameter range of −1.0 ≦ αp <0 is obtained for the EA modulator 120 is 54 to 144 kV / cm. As is apparent from FIG. 4, the light absorption coefficient for the laser oscillation wavelength of 1.530 μm is sufficiently small when the reverse electric field is 54 kV / cm and sufficiently large when the reverse electric field is 144 kV / cm. Therefore, when the applied electric field is switched between 54 kV / cm and 144 kV / cm, the intensity of the laser beam can be modulated with a sufficient extinction ratio while maintaining a suitable α parameter value. Therefore, the EA modulator 120 can be suitably used for long-distance optical communication.
[0052]
The chirp characteristics of the light absorption layer 15m can be controlled by independently selecting the band gap energy of the two types of well layers 21 and 22. For this reason, the EA modulator 120 has a much higher degree of design freedom than a conventional EA modulator composed of only one type of well layer.
[0053]
The present invention has been described in detail based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
[0054]
In the above embodiment, the light absorption layer 15m includes two types of well layers 21 and 22. However, the light absorption layer may include three or more types of well layers having different band gap energies.
[0055]
In the above embodiment, the EA modulator is integrated on the same substrate as the DFB laser element. However, the EA modulator may be a separate element from the light source. The EA modulator of the present invention can have an absorption spectrum having a peak half-value width expanded by synthesizing an absorption spectrum corresponding to each well layer. For this reason, the EA modulator of the present invention has a large wavelength margin with respect to the detuning of the light source wavelength. On the other hand, in the conventional EA modulator, the electric field dependence of the α parameter greatly changes due to the detuning of the light source wavelength, so the composition of the well layer must be strictly controlled.
[0056]
【The invention's effect】
Since the electroabsorption optical modulator of the present invention includes the light absorption layer including a plurality of well layers having different band gap energies, the electroabsorption optical modulator can be manufactured to have a favorable α parameter over a wide applied electric field range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an optical modulator according to an embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an optical modulator according to an embodiment.
FIG. 3 is an energy band diagram of a light absorption layer.
FIG. 4 is a diagram illustrating an absorption spectrum of the optical modulator according to the embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing an absorption spectrum of an optical modulator having only a first well layer.
FIG. 6 is a diagram showing an absorption spectrum of an optical modulator having only a second well layer.
FIG. 7 is a diagram illustrating chirp characteristics of the optical modulator of the embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating chirp characteristics of an optical modulator having only a first well layer.
FIG. 9 is a diagram illustrating chirp characteristics of an optical modulator having only a second well layer.
FIG. 10 is a diagram showing a shift of an absorption spectrum according to a change in electric field intensity for an optical modulator having only a first well layer.
FIG. 11 is a diagram showing a shift of an absorption spectrum according to a change in electric field intensity for an optical modulator having only a second well layer.
[Explanation of symbols]
2 ... Substrate, 3m and 13m ... n-type cladding layer, 4m, 6m, 14m and 16m ...

light guide layer

4m, 5m ... active layer, 6 ... diffraction grating, 7m and 17m ... p-type first cladding layer, 15m ... light Absorption layer, 20 ... barrier layer, 21 ... first well layer, 22 ... second well layer, 25 ... unit structure, 50 ... optical semiconductor element, 110 ... distributed feedback semiconductor laser element, 120 ... electroabsorption optical modulator 130: Separation unit.

Claims

複数の井戸層と複数の障壁層が交互に積層された光吸収層と、
前記光吸収層の両側に設けられたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と
を備える電界吸収型光変調器であって、
前記複数の井戸層は、第１のバンドギャップエネルギーを有する複数の第１井戸層と、前記第１バンドギャップエネルギーより高い第２のバンドギャップエネルギーを有する複数の第２井戸層とを含んでおり、
前記第１および第２井戸層が交互に積層されており、
前記第２井戸層の層厚が前記第１井戸層の層厚よりも大きく、
前記第１井戸層と前記第２井戸層の間に前記障壁層が配置されており、
前記第１井戸層のバンドギャップエネルギーおよび層厚は、すべての前記第２井戸層を前記第１井戸層で置き換えたときに前記光変調器のαパラメータが前記逆方向電界の増加に伴って単調に減少するような値を有しており、
前記第２井戸層のバンドギャップエネルギーおよび層厚は、すべての前記第１井戸層を前記第２井戸層で置き換えたときに前記光変調器のαパラメータが前記逆方向電界の増加に伴って増加した後、減少するような値を有しており、
前記光吸収層、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を有するｐｎ接合構造に印可される逆方向電界に応じて、前記光吸収層中の光の強度を変調する電界吸収型光変調器。A light absorption layer in which a plurality of well layers and a plurality of barrier layers are alternately stacked;
An electro-absorption optical modulator comprising a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer provided on both sides of the light absorption layer,
The plurality of well layers include a plurality of first well layers having a first band gap energy and a plurality of second well layers having a second band gap energy higher than the first band gap energy. ,
The first and second well layers are alternately stacked;
A layer thickness of the second well layer is larger than a layer thickness of the first well layer;
The barrier layer is disposed between the first well layer and the second well layer;
The band gap energy and the layer thickness of the first well layer are such that when all the second well layers are replaced with the first well layers, the α parameter of the optical modulator increases monotonically as the reverse electric field increases. Has a value that decreases to
The band gap energy and the layer thickness of the second well layer increase as the reverse electric field increases as the α parameter of the optical modulator increases when all the first well layers are replaced with the second well layers. Has a value that decreases after
An electroabsorption optical modulator that modulates the intensity of light in the light absorption layer according to a reverse electric field applied to a pn junction structure having the light absorption layer, a p-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer.

前記光吸収層では、前記障壁層、前記第１井戸層、前記障壁層および前記第２井戸層が順次に積層された単位構造が複数個積層されている、請求項１に記載の電界吸収型光変調器。 2. The electroabsorption type according to claim 1, wherein the light absorption layer includes a plurality of unit structures in which the barrier layer, the first well layer, the barrier layer, and the second well layer are sequentially stacked. Light modulator.

すべての前記第２井戸層を前記第１井戸層で置き換えたときに前記光変調器のαパラメータが−１．０以上０未満となる前記逆方向電界の範囲を第１電界範囲とし、すべての前記第１井戸層を前記第２井戸層で置き換えたときに前記光変調器のαパラメータが−１．０以上０未満となる前記逆方向電界の範囲を第２電界範囲とすると、−１．０以上０未満のαパラメータを与える逆方向電界の範囲が前記第１および第２電界範囲のいずれよりも広くなっている請求項１または請求項２に記載の電界吸収型光変調器。The range of the reverse electric field in which the α parameter of the optical modulator is −1.0 or more and less than 0 when all the second well layers are replaced with the first well layers is defined as a first electric field range. When the range of the reverse electric field in which the α parameter of the optical modulator is −1.0 or more and less than 0 when the first well layer is replaced with the second well layer is defined as −1. 3. The electroabsorption optical modulator according to claim 1, wherein a range of a reverse electric field that gives an α parameter of 0 or more and less than 0 is wider than any of the first and second electric field ranges.

前記逆方向電界が所定の下限値から所定の上限値に変化したときの前記第１井戸層のフォトルミネセンス波長の変化量を△λ１とし、前記逆方向電界が前記下限値から前記上限値に変化したときの前記第２井戸層のフォトルミネセンス波長の変化量を△λ２としたときに、
｜△λ１−△λ２｜≦１００ｎｍ
が満たされている請求項１〜３のいずれかに記載の電界吸収型光変調器。The amount of change in the photoluminescence wavelength of the first well layer when the reverse electric field changes from a predetermined lower limit value to a predetermined upper limit value is Δλ1, and the reverse electric field changes from the lower limit value to the upper limit value. When the amount of change in the photoluminescence wavelength of the second well layer when changed is Δλ2,
| Δλ1-Δλ2 | ≦ 100nm
Electroabsorption modulator according to any one of claims 1 to 3 are satisfied.