JPH02149818A - 光変調素子 - Google Patents
光変調素子Info
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- JPH02149818A JPH02149818A JP63302222A JP30222288A JPH02149818A JP H02149818 A JPH02149818 A JP H02149818A JP 63302222 A JP63302222 A JP 63302222A JP 30222288 A JP30222288 A JP 30222288A JP H02149818 A JPH02149818 A JP H02149818A
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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- G02F1/0157—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction modulating the optical absorption using electro-absorption effects, e.g. Franz-Keldysh [FK] effect or quantum confined stark effect [QCSE]
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（発明の技術分野）
本発明は外部から入射された光を変調する光変調素子に
関するものである。
関するものである。
（従来技術）
高速データ通信、画像伝送などの大容量通信需要に対処
する光伝送システムの将来の開発方向の一つとしてギガ
ビット帯超高速光伝送が期待されている。光ファイバの
伝送損失が最少となる１、５５μｍ波長帯で１ギガビッ
ト以上の高速光伝送を行う場合、光ファイバの損失特性
に加えて波長分散特性が伝送距離を制限する大きな要因
となる。このため、これまで、波長分散の影響を受けな
いように、変調時にもスペクトル幅の小さい動的単一波
長レーザの開発が盛んに行われている。
する光伝送システムの将来の開発方向の一つとしてギガ
ビット帯超高速光伝送が期待されている。光ファイバの
伝送損失が最少となる１、５５μｍ波長帯で１ギガビッ
ト以上の高速光伝送を行う場合、光ファイバの損失特性
に加えて波長分散特性が伝送距離を制限する大きな要因
となる。このため、これまで、波長分散の影響を受けな
いように、変調時にもスペクトル幅の小さい動的単一波
長レーザの開発が盛んに行われている。
しかし、このような分布帰還（ＤＦＢ）レーザなどの動
的単一波長レーザでさえ、直接変調した場合には、通常
数人の波長変動（チャーピング）が生じ、光ファイバの
波長分散と波長変動により受信パルスが広がるという問
題が生じる。この問題を抑制する一方式として、半導体
レーザの出力は一定としスペクトル幅の狭い状態に保持
し、外部の光変調素子で高速な変調を行う方式が近年検
討されている。
的単一波長レーザでさえ、直接変調した場合には、通常
数人の波長変動（チャーピング）が生じ、光ファイバの
波長分散と波長変動により受信パルスが広がるという問
題が生じる。この問題を抑制する一方式として、半導体
レーザの出力は一定としスペクトル幅の狭い状態に保持
し、外部の光変調素子で高速な変調を行う方式が近年検
討されている。
光変調素子としては、ＬｉＮｂ０：＋等の強誘電体を用
いた光変調素子や、ＤＦＢレーザ等の単一波長レーザと
七ノリシックに集積可能なＧ ａ Ａ ｓ系やＩｎＰ系
の半導体光変調素子等が提案されているが、中でも、半
導体導波路に電界を印加して電気吸収効果により光の強
度変調を行う電気吸収型光変調素子が最も有望視されて
いる。
いた光変調素子や、ＤＦＢレーザ等の単一波長レーザと
七ノリシックに集積可能なＧ ａ Ａ ｓ系やＩｎＰ系
の半導体光変調素子等が提案されているが、中でも、半
導体導波路に電界を印加して電気吸収効果により光の強
度変調を行う電気吸収型光変調素子が最も有望視されて
いる。
第１図は、従来の電気吸収型光変調素子の断面図である
。ｎ型１ｎＰ基板１の上に、禁止帯波長：１．４５μｍ
のｎ−−１ｎＧａＡｓＰ変調導波路層２が形成され、ｐ
”−１ｎＰ上部クラッド層４、ｐ”−１ｎＧａＡｓＰコ
ンタクト層５が積層されており、さらに、Ｐ側電極６及
びｎ側電極７がｐ゛Ｉ ｎＧａＡｓ Ｐコンタクト層５
とｎ型１ｎＰ基板ｌにそれぞれ接するように形成されて
いる。
。ｎ型１ｎＰ基板１の上に、禁止帯波長：１．４５μｍ
のｎ−−１ｎＧａＡｓＰ変調導波路層２が形成され、ｐ
”−１ｎＰ上部クラッド層４、ｐ”−１ｎＧａＡｓＰコ
ンタクト層５が積層されており、さらに、Ｐ側電極６及
びｎ側電極７がｐ゛Ｉ ｎＧａＡｓ Ｐコンタクト層５
とｎ型１ｎＰ基板ｌにそれぞれ接するように形成されて
いる。
この光変調素子では、ＩｎＧａＡｓＰ変調導波路Ｎ２に
光を入射して、ｎ側電極６に印加するマイナスの電圧と
ｎ側電極７に印加するプラスの電圧を変化させて、Ｉ
ｎＧａＡｓ Ｐ変調導波路層２の吸収係数を変化させる
事により、出射光の強度を変調することができる。吸収
型光変調素子に数ｍＷ程度の光を入射すると、変調電圧
が増加したり、帯域幅が減少したりする現象が観測され
る。
光を入射して、ｎ側電極６に印加するマイナスの電圧と
ｎ側電極７に印加するプラスの電圧を変化させて、Ｉ
ｎＧａＡｓ Ｐ変調導波路層２の吸収係数を変化させる
事により、出射光の強度を変調することができる。吸収
型光変調素子に数ｍＷ程度の光を入射すると、変調電圧
が増加したり、帯域幅が減少したりする現象が観測され
る。
この高強度光入射に伴う特性劣化を抑制するため、従来
例では入射光のフォトンエネルギｈνと変調導波路層の
禁止帯幅Ｅｇとの差ΔＥｇ＝Ｅｇ−ｈνを５０ｍｅＶ以
上に大きくし、素子長を１ｍｍ程度まで長くすることに
より、単位長さ当りの吸収キャリア数を減少させている
。
例では入射光のフォトンエネルギｈνと変調導波路層の
禁止帯幅Ｅｇとの差ΔＥｇ＝Ｅｇ−ｈνを５０ｍｅＶ以
上に大きくし、素子長を１ｍｍ程度まで長くすることに
より、単位長さ当りの吸収キャリア数を減少させている
。
（発明が解決しようとする課題）
しかし、従来の光変調素子は、ｎ−−１ｎＧａＡｓＰ変
調導波路Ｎ２上に、直接ｐ”−１ｎＰ上部クラッド層４
を積層してｐｎ接合を形成した構造となっているため、
結晶成長中のドーパントの拡散によって光導波路Ｎ２内
にｐｎ接合が形成されていた。従って、ｎ−−ＩｎＧａ
ＡｓＰ変調導波路Ｎ２上に、直接ｐ”−ＩｎＰ上部クラ
ッド層４を積層してｐｎ接合を形成する従来の構造では
、ｎ−−１ｎＧａＡｓＰ変調導波路層２とｐ”−１ｎＰ
上部クラッド層４との界面にｐｎ接合を形成することが
困難であると共に、ｐｎ接合が光導波路層２内に形成さ
れてしまうため、素子容量が増大して高速動作が不可能
であるという問題点があった。
調導波路Ｎ２上に、直接ｐ”−１ｎＰ上部クラッド層４
を積層してｐｎ接合を形成した構造となっているため、
結晶成長中のドーパントの拡散によって光導波路Ｎ２内
にｐｎ接合が形成されていた。従って、ｎ−−ＩｎＧａ
ＡｓＰ変調導波路Ｎ２上に、直接ｐ”−ＩｎＰ上部クラ
ッド層４を積層してｐｎ接合を形成する従来の構造では
、ｎ−−１ｎＧａＡｓＰ変調導波路層２とｐ”−１ｎＰ
上部クラッド層４との界面にｐｎ接合を形成することが
困難であると共に、ｐｎ接合が光導波路層２内に形成さ
れてしまうため、素子容量が増大して高速動作が不可能
であるという問題点があった。
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、素子容量を増大させることな（、入射
光強度が増大しても低電圧で高速の変調が可能な光変調
素子を提供することを目的とする。
なされたもので、素子容量を増大させることな（、入射
光強度が増大しても低電圧で高速の変調が可能な光変調
素子を提供することを目的とする。
（課題を解決するための手段）
本発明の特徴は、上部クラッド層内にｐｎ接合を設ける
と共に、光導波路層と上部クラッド層の間に光導波路層
の禁止帯幅より大で上部クラッド層の禁止帯幅よりも小
なる禁止帯幅を有するバッファ層を少なくとも１層挿入
するように構成し、光吸収で生じた正孔かへテロ界面で
トラップされないように構成した点にある。
と共に、光導波路層と上部クラッド層の間に光導波路層
の禁止帯幅より大で上部クラッド層の禁止帯幅よりも小
なる禁止帯幅を有するバッファ層を少なくとも１層挿入
するように構成し、光吸収で生じた正孔かへテロ界面で
トラップされないように構成した点にある。
以下に、図面を用いて、本発明の詳細な説明する。
（発明の原理）
ｎ−−１ｎＧａＡｓＰ変調導波路層２上に、直接ｐ”
−ＩｎＰ上部クラりド層４を積層してｐｎ接合を形成す
る従来の構造を解決する面単な手段として、ＩｎＰ上部
クラりド層４内にｐｎ接合を設ければよいことが考えら
れる。しかし、単に、ＩｎＰ上部クラりド層４内にｐｎ
接合を設けても、入射光強度が増加するに従い変調電圧
が著しく増加することが、本発明者らにより明らかとな
った。
−ＩｎＰ上部クラりド層４を積層してｐｎ接合を形成す
る従来の構造を解決する面単な手段として、ＩｎＰ上部
クラりド層４内にｐｎ接合を設ければよいことが考えら
れる。しかし、単に、ＩｎＰ上部クラりド層４内にｐｎ
接合を設けても、入射光強度が増加するに従い変調電圧
が著しく増加することが、本発明者らにより明らかとな
った。
従って、その理由について詳細に説明する。
第２図は、上部クラッド層内にｐｎ接合を設けた場合に
おける電気吸収型光変調素子の断面図である。
おける電気吸収型光変調素子の断面図である。
図から明らかなように、第１図との違いは、メサ状に加
工されたｎ−−ＩｎＰ上部クラッド層３がＩｎＰ上部ク
ラりド層４の下に形成され、ｐｎ接合が上部クラッド層
内に設けられている点である。
工されたｎ−−ＩｎＰ上部クラッド層３がＩｎＰ上部ク
ラりド層４の下に形成され、ｐｎ接合が上部クラッド層
内に設けられている点である。
第３図に、第２図の光変調素子で、素子長を１．０２ｍ
ｍ、ΔＥｇを５０ｍｅＶとし、波長１．５５μｍの入射
光強度に対する出射光強度を変調電圧をパラメータとし
て示す。第３図より、この光変調素子では入射光強度を
０．２ ｍ Ｗから３ｍＷに増加するに従い、１０ｄＢ
の消光比を与える電圧が２■から３．５■以上に増加し
ていることがわかる。
ｍ、ΔＥｇを５０ｍｅＶとし、波長１．５５μｍの入射
光強度に対する出射光強度を変調電圧をパラメータとし
て示す。第３図より、この光変調素子では入射光強度を
０．２ ｍ Ｗから３ｍＷに増加するに従い、１０ｄＢ
の消光比を与える電圧が２■から３．５■以上に増加し
ていることがわかる。
この原因について、実験的に検討した結果、第２図の光
変調素子では空乏層中に存在するｎＩ ｎＧａＡｓＰ変
調導波路層２とｎ−−ＩｎＰ上部クラッド層３のへテロ
界面が変調電圧の増加に大きく影響していることが明か
となった。
変調素子では空乏層中に存在するｎＩ ｎＧａＡｓＰ変
調導波路層２とｎ−−ＩｎＰ上部クラッド層３のへテロ
界面が変調電圧の増加に大きく影響していることが明か
となった。
以下にそれを説明する。変調電圧の増加の一つの原因と
して、上述したように、ｎ−−ＩｎＰ（禁止帯幅： Ｅ
ｇ ＝１．３５ ｅ Ｖ）３とｎ−−ＩｎＧａＡｓＰ
（Ｅｇ＝０．８５５ ｅ Ｖ） ２との境界（ヘテロ界
面）における価電子帯のエネルギバンド不連続点への正
孔の蓄積が考えられる。第４図（ａ）に、光入射が少な
い場合の従来の光変調素子のエネルギバンド図を示す。
して、上述したように、ｎ−−ＩｎＰ（禁止帯幅： Ｅ
ｇ ＝１．３５ ｅ Ｖ）３とｎ−−ＩｎＧａＡｓＰ
（Ｅｇ＝０．８５５ ｅ Ｖ） ２との境界（ヘテロ界
面）における価電子帯のエネルギバンド不連続点への正
孔の蓄積が考えられる。第４図（ａ）に、光入射が少な
い場合の従来の光変調素子のエネルギバンド図を示す。
波長１．５５μｍの入射光８は、ｎＩｎＧａＡｓＰ変調
導波路層２で吸収されて、電子９と正孔１０を生成する
。又、エネルギの傾きが電界強度に相当する。第４図（
ｂ）には、数ｍＷ以上の高強度光入射時のエネルギバン
ド図を示す。光吸収によって生成された電子９と正孔１
０のうち電子９については、伝導帯にはほとんどエネル
ギ障壁がないため外部回路へ瞬時に吐き出されるが、正
孔１０については、ｎ−−１ｎＰ３とｎ−−Ｉ ｎＧａ
ＡｓＰ２のへテロ界面における価電子帯のエネルギ障壁
でトラップされてしまう。
導波路層２で吸収されて、電子９と正孔１０を生成する
。又、エネルギの傾きが電界強度に相当する。第４図（
ｂ）には、数ｍＷ以上の高強度光入射時のエネルギバン
ド図を示す。光吸収によって生成された電子９と正孔１
０のうち電子９については、伝導帯にはほとんどエネル
ギ障壁がないため外部回路へ瞬時に吐き出されるが、正
孔１０については、ｎ−−１ｎＰ３とｎ−−Ｉ ｎＧａ
ＡｓＰ２のへテロ界面における価電子帯のエネルギ障壁
でトラップされてしまう。
入射高強度が小さい場合には、トラップされる正孔の量
が少ないため第４図（ａ）に示すように導波路内電界強
度分布に大きな影響を与えずＩｎＧａＡｓ Ｐ導波路層
２の全域で光吸収が起こる。しかし、入射高強度が増加
し正孔の量が増加すると、外部からの印加電界は正孔が
大量に存在しているヘテロ界面部に集中するため他の部
分の電界強度が弱められ光吸収が起きない領域が現れ（
第４図（ｂ））、光透過率が増加する。更に電圧を印加
するとヘテロ界面への正孔の蓄積が進み、蓄積した正孔
の数が最大となる電圧点で最も透明となり、それ以上の
電圧ではへテロ界面への正孔の蓄積がないため通常の吸
収特性を示す。
が少ないため第４図（ａ）に示すように導波路内電界強
度分布に大きな影響を与えずＩｎＧａＡｓ Ｐ導波路層
２の全域で光吸収が起こる。しかし、入射高強度が増加
し正孔の量が増加すると、外部からの印加電界は正孔が
大量に存在しているヘテロ界面部に集中するため他の部
分の電界強度が弱められ光吸収が起きない領域が現れ（
第４図（ｂ））、光透過率が増加する。更に電圧を印加
するとヘテロ界面への正孔の蓄積が進み、蓄積した正孔
の数が最大となる電圧点で最も透明となり、それ以上の
電圧ではへテロ界面への正孔の蓄積がないため通常の吸
収特性を示す。
光透過特性にヘテロ界面の数に応じた数のピークが現わ
れる現象は、ヘテロ界面の数が１つ、２つ及び３つの場
合にも同様に観測され、上述の説明は妥当と考えられる
。すなわち、ヘテロ界面に留まっている大量の正孔が空
間電荷となり、バンド構造を歪め、数ｍＷ以上の高強度
光入射時には変調電圧を増加させる要因となっている。
れる現象は、ヘテロ界面の数が１つ、２つ及び３つの場
合にも同様に観測され、上述の説明は妥当と考えられる
。すなわち、ヘテロ界面に留まっている大量の正孔が空
間電荷となり、バンド構造を歪め、数ｍＷ以上の高強度
光入射時には変調電圧を増加させる要因となっている。
従って、ヘテロ界面への正孔の蓄積効果が変調電圧の増
加に大きく影響していることが判明した。
加に大きく影響していることが判明した。
以上のように、単に、ＩｎＰ上部クラッド層内にｐｎ接
合を設けた光変調素子では、光導波路層２の禁止帯幅を
入射光エネルギよりも５０ｍｅＶ以上大きくとり、素子
長を１ｍｍ以上に長くして、単位長さ当りの吸収キャリ
ア数を減少させても、ｐｎ接合が上部クラッド層内に存
在すると、ヘテロ界面への正孔の蓄積によりバンド構造
が歪められ、入射光強度が増加するに従い変調電圧が著
しく増加するという欠点がある。
合を設けた光変調素子では、光導波路層２の禁止帯幅を
入射光エネルギよりも５０ｍｅＶ以上大きくとり、素子
長を１ｍｍ以上に長くして、単位長さ当りの吸収キャリ
ア数を減少させても、ｐｎ接合が上部クラッド層内に存
在すると、ヘテロ界面への正孔の蓄積によりバンド構造
が歪められ、入射光強度が増加するに従い変調電圧が著
しく増加するという欠点がある。
そこで、本願発明者らは、上部クラッド層内にｐｎ接合
を設けると共に、光導波路層と上部クラッド層の間に光
導波路層の禁止帯幅より大で上部クラッド層の禁止帯幅
よりも小なる禁止帯幅を有するバッファ層を少なくとも
１層挿入するように構成し、光吸収で生じた正孔かへテ
ロ界面でトラップされないように構成した。
を設けると共に、光導波路層と上部クラッド層の間に光
導波路層の禁止帯幅より大で上部クラッド層の禁止帯幅
よりも小なる禁止帯幅を有するバッファ層を少なくとも
１層挿入するように構成し、光吸収で生じた正孔かへテ
ロ界面でトラップされないように構成した。
第５図（ａ）は、本発明の原理図であり、光変調素子の
断面図である。従来例と異なる点は、膜厚が０゜３μｍ
のｎ−−Ｉ ｎＧａＡｓ Ｐ光導波路層２（禁止帯波長
：１．４５μｍ）と膜厚が０．１μｍのｎ−−ＩｎＰ上
部クラッド層３（禁止帯波長：０．９２μｍ）の間に光
導波路層２の禁止帯幅と上部クラッド層３の禁止帯幅の
ほぼ中間の禁止帯幅を有する薄いｎ−−１ｎＧａＡｓＰ
バッファ層１１（禁止帯波長：１．２μｍ、膜厚：０．
１μｍ）が挿入されている点である。第５図（ｂ）には
本発明による光変調素子のエネルギバンド図を示す。光
導波路層２と上部クラッド層３との間に光導波路層２の
禁止帯幅と上部クラッド層３の禁止帯幅のほぼ中間の禁
止帯幅を有するバッファ層１１が挿入されているため、
第５図（ｂ）に示す様に、価電子帯のバンド不連続が２
段階になり、光吸収で生じた正孔は、それぞれのへテロ
界面でトラップされても室温での熱励起により容易にエ
ネルギ障壁を乗り越えることができ、ｐ”−１ｎＰ上部
クラッド層４へ移動し易（なり、瞬時に外部回路へ吐き
出され、バンド構造に影響を与えない。
断面図である。従来例と異なる点は、膜厚が０゜３μｍ
のｎ−−Ｉ ｎＧａＡｓ Ｐ光導波路層２（禁止帯波長
：１．４５μｍ）と膜厚が０．１μｍのｎ−−ＩｎＰ上
部クラッド層３（禁止帯波長：０．９２μｍ）の間に光
導波路層２の禁止帯幅と上部クラッド層３の禁止帯幅の
ほぼ中間の禁止帯幅を有する薄いｎ−−１ｎＧａＡｓＰ
バッファ層１１（禁止帯波長：１．２μｍ、膜厚：０．
１μｍ）が挿入されている点である。第５図（ｂ）には
本発明による光変調素子のエネルギバンド図を示す。光
導波路層２と上部クラッド層３との間に光導波路層２の
禁止帯幅と上部クラッド層３の禁止帯幅のほぼ中間の禁
止帯幅を有するバッファ層１１が挿入されているため、
第５図（ｂ）に示す様に、価電子帯のバンド不連続が２
段階になり、光吸収で生じた正孔は、それぞれのへテロ
界面でトラップされても室温での熱励起により容易にエ
ネルギ障壁を乗り越えることができ、ｐ”−１ｎＰ上部
クラッド層４へ移動し易（なり、瞬時に外部回路へ吐き
出され、バンド構造に影響を与えない。
第６図に、本発明により構成した光変調素子（素子長１
．１７ｍｍ、ΔＥｇを５０ｍｅＶ）における入射光強度
にたいする出射光強度特性を変調電圧をパラメータとし
て示す。第６図と第３図を比較すると、第６図では人出
力特性が大幅に改善されていることがわかる。すなわち
、同一消光比を与える電圧は入射光強度の大きさに関わ
らずほぼ一定であった。
．１７ｍｍ、ΔＥｇを５０ｍｅＶ）における入射光強度
にたいする出射光強度特性を変調電圧をパラメータとし
て示す。第６図と第３図を比較すると、第６図では人出
力特性が大幅に改善されていることがわかる。すなわち
、同一消光比を与える電圧は入射光強度の大きさに関わ
らずほぼ一定であった。
従って、本発明によれば、素子容量を増大させることな
く、入射光強度が増大しても低電圧で高速の変調が可能
な光変調素子を実現することが可能となる。
く、入射光強度が増大しても低電圧で高速の変調が可能
な光変調素子を実現することが可能となる。
原理を示す第５図（ａ）では、バッファ層１１が一層で
あるが、光導波路層２から上部クラッド層３に向かって
、禁止帯幅が段階的に大きくなる多層のバッファ１１２
を挿入してもよい。例えば、禁止帯波長が１．４５μｍ
から０．９２μｍまで連続的に変化しているｎ−−Ｉｎ
ＧａＡｓＰバッファ層１２（図示せず）をｎ−−１ｎＧ
ａＡｓＰ光導波路層２とｎ−−１ｎＰ上部クラッド層３
との間に挿入すればよい。この構造では、価電子帯のバ
ンド不連続がほとんどなくなり、光吸収で生じた正孔は
、ヘテロ界面でほとんどトラップされずに外部回路に吐
き出される。
あるが、光導波路層２から上部クラッド層３に向かって
、禁止帯幅が段階的に大きくなる多層のバッファ１１２
を挿入してもよい。例えば、禁止帯波長が１．４５μｍ
から０．９２μｍまで連続的に変化しているｎ−−Ｉｎ
ＧａＡｓＰバッファ層１２（図示せず）をｎ−−１ｎＧ
ａＡｓＰ光導波路層２とｎ−−１ｎＰ上部クラッド層３
との間に挿入すればよい。この構造では、価電子帯のバ
ンド不連続がほとんどなくなり、光吸収で生じた正孔は
、ヘテロ界面でほとんどトラップされずに外部回路に吐
き出される。
従って、バッファ層１１が一層である第５図（ａ）と同
様に、入射光強度が増大しても低電圧で高速の変調が可
能な光変調素子を実現することが可能となる。
様に、入射光強度が増大しても低電圧で高速の変調が可
能な光変調素子を実現することが可能となる。
材料系としては、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系を例にとり
説明したが、Ａ Ｉ Ｇ ａ Ａ ｓ ／ Ｇ ａ Ａ
ｓ系Ａ Ｉ Ｇ ａ Ａ ｓ ／ Ｉ ｎ Ｐ系など
の他の材料にも同様に適用できる。さらに、それらの材
料で構成される多重量子井戸層を用いることもでき、そ
の場合説明で用いた禁止帯幅は、量子準位で定まる実効
的な禁止帯幅となる。また、横モード安定化のためのス
トライプ構造についてはストリップ装荷型を例にとり説
明したが、埋め込みストライプ構造や、リッジ導波路ス
トライプ構造などの従来技術がすべて適用可能である。
説明したが、Ａ Ｉ Ｇ ａ Ａ ｓ ／ Ｇ ａ Ａ
ｓ系Ａ Ｉ Ｇ ａ Ａ ｓ ／ Ｉ ｎ Ｐ系など
の他の材料にも同様に適用できる。さらに、それらの材
料で構成される多重量子井戸層を用いることもでき、そ
の場合説明で用いた禁止帯幅は、量子準位で定まる実効
的な禁止帯幅となる。また、横モード安定化のためのス
トライプ構造についてはストリップ装荷型を例にとり説
明したが、埋め込みストライプ構造や、リッジ導波路ス
トライプ構造などの従来技術がすべて適用可能である。
次に、同一出願人により、既に特許出願がなされている
高強度光入射時にも低電圧で高速変調が可能な高性能変
調素子（特願昭６３−４２１９８〜４２２００号）、あ
るいは帯域劣化等の少ない高性能光変調素子（特願昭６
３−１９５８４０号）と本発明の特徴であるバッファ層
１２（１１）とを組み合わせた構成について説明する。
高強度光入射時にも低電圧で高速変調が可能な高性能変
調素子（特願昭６３−４２１９８〜４２２００号）、あ
るいは帯域劣化等の少ない高性能光変調素子（特願昭６
３−１９５８４０号）と本発明の特徴であるバッファ層
１２（１１）とを組み合わせた構成について説明する。
（実施例１）
高強度光入射時にも低電圧で高速変調が可能な高性能変
調素子として、同一出願人によって３件の特許出願が成
されているが（特願昭６３−４２１９８〜４２２００号
）、ここではその代表例として、特願昭６３−４２１９
９号の一実施例と本発明とを組み合わせた構造について
述べる。
調素子として、同一出願人によって３件の特許出願が成
されているが（特願昭６３−４２１９８〜４２２００号
）、ここではその代表例として、特願昭６３−４２１９
９号の一実施例と本発明とを組み合わせた構造について
述べる。
特願昭６３−４２１９９号は、光変調素子の光導波路層
中の電界強度分布の違いによる吸収係数の不均一を補正
して層厚方向の吸収係数がほぼ一定となるように、層厚
方向における光導波路層の禁止帯幅を連続的もしくは階
段上に変えることにより、光分布と吸収係数の重なりを
大きくして変調電圧の低下と素子長短縮による広帯域化
を図り、かつ吸収係数を均一化することにより、高強度
光入射時に問題となる局所的過剰キャリアによる空間電
荷効果を抑制し高速変調を可能としたものである。
中の電界強度分布の違いによる吸収係数の不均一を補正
して層厚方向の吸収係数がほぼ一定となるように、層厚
方向における光導波路層の禁止帯幅を連続的もしくは階
段上に変えることにより、光分布と吸収係数の重なりを
大きくして変調電圧の低下と素子長短縮による広帯域化
を図り、かつ吸収係数を均一化することにより、高強度
光入射時に問題となる局所的過剰キャリアによる空間電
荷効果を抑制し高速変調を可能としたものである。
次に、具体的な組み合わせの構成について説明する。
第７図は本発明による第１の実施例であり、光変調素子
の断面図である。
の断面図である。
原理を示す第５図（ａ）と異なる点は、ｎＩ ｎＧａＡ
ｓ Ｐ光導波路層２が禁止帯幅の異なる３層（２０，２
１，２２）で構成され、かつその上に禁止帯幅が連続的
あるいは階段状となっている多層のバッファ層１２が積
層された構造となっていることにある。（但し、図では
簡単にするために１層しか記載していない。） 各光導波路層２０，２１．２２は、層厚が各０．２μｍ
、禁止帯幅が１．５５μｍの入射光エネルギｈｖよりそ
れぞれ５０ｍｅＶ、５５ｍｅＶ及び６０ｍｅＶ小さくな
るように構成されている。なお、光導波路層２０，２１
．２２は必ずしも３層を必要とせず、２層以上であれば
何層でも良い。
ｓ Ｐ光導波路層２が禁止帯幅の異なる３層（２０，２
１，２２）で構成され、かつその上に禁止帯幅が連続的
あるいは階段状となっている多層のバッファ層１２が積
層された構造となっていることにある。（但し、図では
簡単にするために１層しか記載していない。） 各光導波路層２０，２１．２２は、層厚が各０．２μｍ
、禁止帯幅が１．５５μｍの入射光エネルギｈｖよりそ
れぞれ５０ｍｅＶ、５５ｍｅＶ及び６０ｍｅＶ小さくな
るように構成されている。なお、光導波路層２０，２１
．２２は必ずしも３層を必要とせず、２層以上であれば
何層でも良い。
（実施例２）
第８図は本発明による第２の実施例であり、光変調素子
の断面図である。
の断面図である。
この実施例２は、光導波路層２を入射端から出力端で吸
収される吸収キャリア数をほぼ同じにするために、光の
進行方向に対し低不純物濃度領域と高不純物濃度領域と
を交互に、かつ高不純物濃度領域が順次増大するように
構成した特願昭６３１９５８４０号の光変調素子に本発
明のバッファ層１２を組み合わせたものである。具体的
な構成例としては、第８図に示す如く、ｎ型１ｎＰ基板
ｌの上に、凹凸１３が形成され、そのうえにｎ−ＩｎＰ
下部クラッド層１４、ｎ−−１ｎＧａＡｓＰ変調導波路
層２及び多層のｎ−−１ｎＧａＡｓＰバッファ層１２が
積層された構成となっている。
収される吸収キャリア数をほぼ同じにするために、光の
進行方向に対し低不純物濃度領域と高不純物濃度領域と
を交互に、かつ高不純物濃度領域が順次増大するように
構成した特願昭６３１９５８４０号の光変調素子に本発
明のバッファ層１２を組み合わせたものである。具体的
な構成例としては、第８図に示す如く、ｎ型１ｎＰ基板
ｌの上に、凹凸１３が形成され、そのうえにｎ−ＩｎＰ
下部クラッド層１４、ｎ−−１ｎＧａＡｓＰ変調導波路
層２及び多層のｎ−−１ｎＧａＡｓＰバッファ層１２が
積層された構成となっている。
他の構成は原理図と同じである。
このように、凹凸１３の周期を入射端面から出射端面へ
行くにしたがって段階的に蜜から疎になる構造にバッフ
ァ層１２を組み合わせることにより、高強度光入射時に
も帯域劣化や変調電圧の増加がなく、かつ素子容量が増
大しない光変調素子を実現できる。
行くにしたがって段階的に蜜から疎になる構造にバッフ
ァ層１２を組み合わせることにより、高強度光入射時に
も帯域劣化や変調電圧の増加がなく、かつ素子容量が増
大しない光変調素子を実現できる。
（実施例３）
第９図は本発明による第３の実施例であり、前述した原
理図（第５図）、実施例１及び実施例２を組み合わせた
光変調素子の断面図である。
理図（第５図）、実施例１及び実施例２を組み合わせた
光変調素子の断面図である。
実施例３は、ｎ型１ｎＰ基板１の上に、凹凸１３が形成
され、そのうえにｎ−−ＩｎＰ下部クラッドＮ１４、禁
止帯幅がそれぞれ異なるｎ−−ＩｎＧａＡｓ Ｐ変調導
波路層２０，２１，２２．多層のｎ−−１ｎＧａＡｓＰ
バッファ層１２、その上にメサ状のｎ−−１ｎＰ上部ク
ラッド層３、ｎ−ＩｎＰ上部クラッド層３との界面にｐ
ｎ接合面が形成されるｐ”−１ｎＰ上部クラッド層４、
ｐ。
され、そのうえにｎ−−ＩｎＰ下部クラッドＮ１４、禁
止帯幅がそれぞれ異なるｎ−−ＩｎＧａＡｓ Ｐ変調導
波路層２０，２１，２２．多層のｎ−−１ｎＧａＡｓＰ
バッファ層１２、その上にメサ状のｎ−−１ｎＰ上部ク
ラッド層３、ｎ−ＩｎＰ上部クラッド層３との界面にｐ
ｎ接合面が形成されるｐ”−１ｎＰ上部クラッド層４、
ｐ。
−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５が積層されており、さ
らに、Ｐ側電極６及びｎ側電極７がＰ。
らに、Ｐ側電極６及びｎ側電極７がＰ。
ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５と ｎ型１ｎＰ基板１に
それぞれ接するように形成されている。
それぞれ接するように形成されている。
実施例３の構造では、吸収係数の均一化が理想的に行な
われているので、素子容量を増大させることなく、高強
度光入射時に問題となる局所的過剰キャリアによる空間
電荷効果を抑制し、より低変調電圧で、かつ高速変調も
可能となる。
われているので、素子容量を増大させることなく、高強
度光入射時に問題となる局所的過剰キャリアによる空間
電荷効果を抑制し、より低変調電圧で、かつ高速変調も
可能となる。
なお、上述の説明では、特願昭６３−４２１９８〜４２
２００号、あるいは特願昭６３−１９５８４０号の代表
例と本発明とを組み合わせた構成について述べたが、他
の組み合わせを用いてもよい。また、本発明のバッファ
層１２も単層のバッファ層１１を用いてもよい。
２００号、あるいは特願昭６３−１９５８４０号の代表
例と本発明とを組み合わせた構成について述べたが、他
の組み合わせを用いてもよい。また、本発明のバッファ
層１２も単層のバッファ層１１を用いてもよい。
（発明の効果）
以上述べたように、本発明では、上部クラッド層内にｐ
ｎ接合を設けると共に、光導波路層２と上部クラッド層
３の間に光導波路Ｎ２の禁止帯幅より大で上部クラッド
層３の禁止帯幅よりも小なる禁止帯幅を有するバッファ
層１１（１２）を少なくとも１層挿入して構成すること
により、価電子帯のバンド不連続の影響が緩和され、光
吸収で生じた正孔が外部回路へ移動し易くなり、かつ吸
収キャリアによりバンド構造が歪まないため、入射光強
度が増大しても低電圧で高速の変調が可能な光変調素子
を実現することができる。
ｎ接合を設けると共に、光導波路層２と上部クラッド層
３の間に光導波路Ｎ２の禁止帯幅より大で上部クラッド
層３の禁止帯幅よりも小なる禁止帯幅を有するバッファ
層１１（１２）を少なくとも１層挿入して構成すること
により、価電子帯のバンド不連続の影響が緩和され、光
吸収で生じた正孔が外部回路へ移動し易くなり、かつ吸
収キャリアによりバンド構造が歪まないため、入射光強
度が増大しても低電圧で高速の変調が可能な光変調素子
を実現することができる。
バッファ層１１を一層用いた光変調素子は、製造が容易
であるという利点がある。
であるという利点がある。
又、禁止帯幅が連続的に変化するバッファ層１２を有す
る光変調素子は、吸収キャリアによりバンド構造が歪ま
ない高性能光変調素子を実現することができる。
る光変調素子は、吸収キャリアによりバンド構造が歪ま
ない高性能光変調素子を実現することができる。
光導波路層２の層厚方向の禁止帯幅が、層厚方向の吸収
係数をほぼ一定と成るように連続的もしくは階段上に変
化させて構成することにより、高強度光入射時に問題と
なる局所的過剰キャリアによる空間電荷効果を抑制し低
変調電圧で、かつ高速変調が可能となる。
係数をほぼ一定と成るように連続的もしくは階段上に変
化させて構成することにより、高強度光入射時に問題と
なる局所的過剰キャリアによる空間電荷効果を抑制し低
変調電圧で、かつ高速変調が可能となる。
光導波路層２に接する部分で複数の低不純物濃度領域と
複数の高不純物濃度領域とが光の進行方向に対して交互
に配置され、複数の高不純物濃度領域の分布密度が光の
進行方向に向かって増大するように構成することにより
、高強度光入射時にも帯域劣化や変調電圧の増加がなく
、かつ素子容量が増大しない光変調素子を実現できる。
複数の高不純物濃度領域とが光の進行方向に対して交互
に配置され、複数の高不純物濃度領域の分布密度が光の
進行方向に向かって増大するように構成することにより
、高強度光入射時にも帯域劣化や変調電圧の増加がなく
、かつ素子容量が増大しない光変調素子を実現できる。
光導波路層２の層厚方向の禁止帯幅が、層厚方向の吸収
係数をほぼ一定と成るように連続的もしくは階段上に変
化させると共に、光導波路層２に接する部分で複数の低
不純物濃度領域と複数の高不純物濃度領域とが光の進行
方向に対して交互に配置され、複数の高不純物濃度領域
の分布密度が光の進行方向に向かって増大するように構
成することにより、素子容量を増大させることなく、高
強度光入射時に問題となる局所的過剰キャリアによる空
間電荷効果を抑制し、より低変調電圧で、かつ高速変調
も可能となる。
係数をほぼ一定と成るように連続的もしくは階段上に変
化させると共に、光導波路層２に接する部分で複数の低
不純物濃度領域と複数の高不純物濃度領域とが光の進行
方向に対して交互に配置され、複数の高不純物濃度領域
の分布密度が光の進行方向に向かって増大するように構
成することにより、素子容量を増大させることなく、高
強度光入射時に問題となる局所的過剰キャリアによる空
間電荷効果を抑制し、より低変調電圧で、かつ高速変調
も可能となる。
以上のように、本発明の光変調素子は、ギガビット帯の
超高速、長距離光フアイバ通信などに応用することがで
き、その効果は極めて大である。
超高速、長距離光フアイバ通信などに応用することがで
き、その効果は極めて大である。
第１図は従来の電気吸収型光変調素子の構造を示す断面
図、第２図は本発明の詳細な説明するための電気吸収型
光変調素子の構造を示す断面図、第３図は従来の電気吸
収型光変調素子における入射光強度対出射光強度特性図
、第４図（ａ）は従来例の入射光強度が小さい場合のエ
ネルギバンド図、第４図（ｂ）は従来例の高強度光入射
時のエネルギバンド図、第５図（ａ）及び（ｂ）は本発
明による基本構成の光変調素子の基本構成を示す断面図
及びエネルギバンド図、第６図は本発明の光変調素子に
おける入射強度対出射強度特性図、第７図、第８図及び
第９図は本発明による光変調素子の断面図である。 １・・・ｎ型１ｎＰ基板、 ２，２０，２１．２２・・
・ｎ−−ＩｎＧａＡｓＰ変訓導波路層、 ３・・・ｎ−
−１ｎＰ上部クラッド層、 ４−ｐ’−ＩｎＰ上部クラ
ッド層、 ５−ｐ”−１ｎＧａＡｓＰコンタクト層、
６・・・ｐ側電掻、 ７・・・ｎ側電極、 ８・・・入
射光、 ９・・・電子、 １０・・・正孔、 １１．
１２−ｎ−−１ｎＧａＡｓＰバッファ層、 １３ ・
・・凹凸、 １４−ｎ−−１ｎ Ｐ下部クラッド層。 蛸１ 図 蛸２図 治４図 治 図 入射り弦、７Ｌ（ｍ’、’／） 治 図 第 図 入射光！！！７に、（ｍｗ） 翳７図 翳８図
図、第２図は本発明の詳細な説明するための電気吸収型
光変調素子の構造を示す断面図、第３図は従来の電気吸
収型光変調素子における入射光強度対出射光強度特性図
、第４図（ａ）は従来例の入射光強度が小さい場合のエ
ネルギバンド図、第４図（ｂ）は従来例の高強度光入射
時のエネルギバンド図、第５図（ａ）及び（ｂ）は本発
明による基本構成の光変調素子の基本構成を示す断面図
及びエネルギバンド図、第６図は本発明の光変調素子に
おける入射強度対出射強度特性図、第７図、第８図及び
第９図は本発明による光変調素子の断面図である。 １・・・ｎ型１ｎＰ基板、 ２，２０，２１．２２・・
・ｎ−−ＩｎＧａＡｓＰ変訓導波路層、 ３・・・ｎ−
−１ｎＰ上部クラッド層、 ４−ｐ’−ＩｎＰ上部クラ
ッド層、 ５−ｐ”−１ｎＧａＡｓＰコンタクト層、
６・・・ｐ側電掻、 ７・・・ｎ側電極、 ８・・・入
射光、 ９・・・電子、 １０・・・正孔、 １１．
１２−ｎ−−１ｎＧａＡｓＰバッファ層、 １３ ・
・・凹凸、 １４−ｎ−−１ｎ Ｐ下部クラッド層。 蛸１ 図 蛸２図 治４図 治 図 入射り弦、７Ｌ（ｍ’、’／） 治 図 第 図 入射光！！！７に、（ｍｗ） 翳７図 翳８図
Claims (5)
- （１）基板上に、直接もしくは下部クラッド層を介して
光導波路層と、該光導波路層よりも屈折率の小なる上部
クラッド層と、前記基板と該上部クラッド層間に電界を
与える一対の電極とを有し、該一対の電極間へ印加する
電界によって前記光導波路層に入射する一定強度の入射
光に対する吸収係数を変化させることにより光強度変調
を行って前記光導波路層の出射端面から変調光を取り出
す光変調素子において、 ｐｎ接合を前記上部クラッド層内に形成すると共に、前
記上部クラッド層と前記光導波路層との間に前記上部ク
ラッド層の禁止帯幅よりも小さく、かつ前記光導波路層
の禁止帯幅よりも大なる禁止帯幅を有するバッファ層が
少なくとも一層挿入されていることを特徴とする光変調
素子。 - （２）前記バッファ層の禁止帯幅が、前記上部クラッド
層の禁止帯幅から前記光導波路層の禁止帯幅まで連続的
、もしくは段階的に小さくなるように構成されたことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光変調素子。 - （３）前記光導波路層の層厚方向の禁止帯幅が、該層厚
方向の吸収係数をほぼ一定とするように連続的もしくは
階段状に変化させて構成されていることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の光変調素子。 - （４）前記光導波路層に接する部分で複数の低不純物濃
度領域と複数の高不純物濃度領域とが光の進行方向に対
して交互に配置され、該複数の高不純物濃度領域の分布
密度が光の進行方向に向かって増大するように構成され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光
変調素子。 - （５）第１項に加え、前記光導波路層の層厚方向の禁止
帯幅が、該層厚方向の吸収係数をほぼ一定とするように
連続的もしくは階段状に変化させると共に、前記光導波
路層に接する部分で複数の低不純物濃度領域と複数の高
不純物濃度領域とが光の進行方向に対して交互に配置さ
れ、該複数の高不純物濃度領域の分布密度が光の進行方
向に向かって増大するように構成されていることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の光変調素子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63302222A JPH0816744B2 (ja) | 1988-12-01 | 1988-12-01 | 光変調素子 |
| US07/442,521 US4991921A (en) | 1988-12-01 | 1989-11-27 | Pn junction optical modulating device having a buffer layer with small energy gap |
| GB8927226A GB2225645B (en) | 1988-12-01 | 1989-12-01 | Optical modulation device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63302222A JPH0816744B2 (ja) | 1988-12-01 | 1988-12-01 | 光変調素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02149818A true JPH02149818A (ja) | 1990-06-08 |
| JPH0816744B2 JPH0816744B2 (ja) | 1996-02-21 |
Family
ID=17906421
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63302222A Expired - Lifetime JPH0816744B2 (ja) | 1988-12-01 | 1988-12-01 | 光変調素子 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4991921A (ja) |
| JP (1) | JPH0816744B2 (ja) |
| GB (1) | GB2225645B (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008267259A (ja) * | 2007-04-19 | 2008-11-06 | Yutaka Giken Co Ltd | 多気筒エンジンの排気集合部 |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5140652A (en) * | 1988-05-30 | 1992-08-18 | Koninklijke Ptt Netherland N.V. | Electro-optical component and method for making the same |
| JPH03257423A (ja) * | 1990-03-08 | 1991-11-15 | Fujitsu Ltd | 導波路型光変調器の動作点トリミング方法 |
| US5054871A (en) * | 1990-07-02 | 1991-10-08 | Bell Communications Research, Inc. | Semiconductor waveguide and impedance-matched detector |
| US5073041A (en) * | 1990-11-13 | 1991-12-17 | Bell Communications Research, Inc. | Integrated assembly comprising vertical cavity surface-emitting laser array with Fresnel microlenses |
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| US20050025420A1 (en) * | 2003-06-30 | 2005-02-03 | Mina Farr | Optical sub-assembly laser mount having integrated microlens |
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