CN1442726A - 光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供一种光调制器，该光调制器可在不使消光特性变差的情况下，仅仅使线性调频脉冲减小。在阱层(10)和n侧的阻挡层(12)之间插入中间层(11)，对阱层(10)，施加张拉变形，在阻挡层(12)的带间隙Eb(eV)，阱层(10)的带间隙Ew(eV)，中间层11的带间隙Em(eV)之间，可保持Ew＜Em＜Eb的关系。还可形成下述张拉变形量子阱结构，其具有在具有这3种层的张拉变形的量子阱结构上，添加另一层的4种层。该另一层的带间隙为阱层(10)与中间层(11)之间的带间隙，或中间层(11)与阻挡层(12)之间的带间隙。在每1个周期的量子阱(8a)中，层数为任何数量。

Description

光调制器
技术领域
本发明涉及一种光调制器，该光调制器在p型半导体与n型半导体之间，具有多重量子阱的吸收层。
技术背景
电场吸收型光调制器(Electroabsorption Optical Modulator：EA调制器)利用伴随作用于物质上的电场，导致光吸收系数(下面简称为“吸收系数”)发生变化的电场吸收效应。具体来说，EA调制器通过在半导体吸收波导管层上，外加电场，使吸收波导管层的吸收系数变化，进行光调制，其分为吸收波导管层采用量子阱结构的类型，以及不采用波导管，而采用体半导体层的类型。
图8(A)和图8(B)表示吸收层波导管层采用量子阱的过去的EA调制器的能带(band)，图8(C)表示采用体半导体层的过去的EA调制器的能带。在图8(A)～图8(C)中，标号101表示p型半导体，标号102表示多重量子阱结构，标号103表示n型半导体，标号102a表示多重量子阱结构102中的1个周期的量子阱结构，标号104表示p型半导体101侧(p侧)的阻挡层，或n型半导体103侧(n侧)的阻挡层，标号105表示1个周期的量子阱，标号106表示体半导体层。
在过去，在具有每秒2.5Gbit(2.5Gbps)和10Gbps的调制速度(位速率(bitrate)的调制系统用的光调制器中，人们在追求吸收层结构更加合理化同时在确保良好的光波形和低线性调频脉冲方面进行了努力。在这里，线性调频脉冲(chirp，或chirping)指光频率作为时间的函数而连续地变化的脉冲。但是，伴随光调制器所要求的调制速度的增加，难于实现上述两个方面的要求。特别是，对于具有40Gbps的调制速度的调制系统用的光调制器，具有未提出有效的线性调频脉冲降低的对策的问题。
下面对伴随光调制器所要求的调制速度的增加，线性调频脉冲降低难于实现的状况进行描述。图9为表示驱动过去的光调制器的驱动电路的典型调制信号波形的图，图9(A)表示10Gbps的调制速度时的调制信号波形，图9(B)表示40Gbps的调制速度时的调制信号波形。象图9(A)所示的那样，在10Gbps的调制速度的场合，象由虚线所围绕的波形Pa那样，获得接近0电平和1电平的识别容易的矩形的调制信号波形。另一方面，象图9(B)所示的那样，在40Gbps的调制速度的场合，即使在采用适合该调制速度的驱动电路的情况下，仍只能够获得象由虚线所围绕的波形Pb那样，相对矩形，更接近菱形的波形。另外，象图9(B)所示的那样，1电平的波形的放大值σm较大，其是限制光通信系统中的光纤传送后的误码率的主要因素。象上述那样，在过去的光调制器中，由于伴随调制速度的增加，调制信号波形变差，故具有难于产生不依赖调制速度的同等的光信号波形。
为了解决上述的问题，在光调制器的消光特性中，要求“减小接近消光特性的1个电平的斜率”。在这里，消光特性指调制信号的光输出相对外加电压(V)的特性。下面通过图10所示的过去的光调制器的消光特性进行说明。
在图10(A)中，横轴表示外加电压(V)，纵轴表示调制信号的光输出，Vpp(V)表示电压振幅，Vo(V)表示电压开口，△V(V)表示外加电压的放大值，曲线a和b分别表示相应的光调制器的消光特性。图10(B)表示调制光波形，图10(C)表示调制信号波形。象图10(A)所示的那样，消光特性的曲线a和b表示针对相同的电压振幅Vpp(V)，同等的消光比Ex(dB)。消光比指通过光调制器，使透射光强度变化时的最大值与最小值的比。接近消光特性的曲线a或b的1个电平的斜率是指相对在调制信号波形的1个电平侧(图10(A)中的，外加电压为0V的一侧)的外加电压的放大值△V的消光比Ex(dB)。象图10(A)所示的那样，消光特性a的曲线是指在给出“接近消光特性的1个电平的斜率较小”的光调制器时，调制信号波形的1个电平侧的放大值△V(V)，Ex，a(dB)的消光比。另一方面，消光特性b的曲线是指在给出“接近消光特性的1个电平的斜率较大”的光调制器时，调制信号波形的1个电平侧的放大值△V(V)，Ex，b(dB)的消光比。在这里，Ex，a＜Ex，b。此时，在图10(B)所示的调制光波形中，接近1个电平的调制光波形的放大值分别与Ex，a，Ex，b相对应。由此，为了获得接近1个电平的调制光波形的放大值较小，良好的误码率的光调制器，必须要求采用相对消光特性b的曲线所示的光调制器，消光特性b的曲线所示的光调制器。即，必须要求采用具有下述消光特性的光调制器，该消光特性指伴随调制速度的增加，具有相同程度的消光比Ex(dB)，并且接近消光特性的1个电平的斜率较小。
但是，一般作为经验，人们知道，如果采用不牺牲消光比Ex(dB)，而使接近消光特性的1个电平的斜率较小的机构，比如，通过在调制器吸收层中，设置多重量子阱(Mutiple Quantum Wells：MQW)，调节MQW的阱幅度，阻挡高度的机构，则必然导致线性调频脉冲的增加。即，具有下述问题，难于在不使光调制器的消光特性变差的情况下，仅仅减小线性调频脉冲。人们认为，该问题妨碍可按照40Gbps的非常高速的调制速度，使用的低线性调频脉冲的调制器的实现，实际上，在学术方面，尚未报道有可按照40Gbps动作的低的线性调频脉冲的调制器。
发明内容
于是，本发明的目的在于提供一种光调制器，该光调制器是为了解决上述问题而提出的，其可在不影响光调制器的消光特性的情况下，仅仅使线性调频脉冲减小。
本发明的调制器涉及下述光调制器，其中在p型半导体和n型半导体之间，具有多重量子阱的吸收层，其特征在于该多重量子阱的1个周期的结构具有阻挡层，该阻挡层具有第1带间隙；阱层，该阱层与上述阻挡层连接，并且在比上述阻挡层更靠近n型半导体一侧，具有小于第1带间隙的第2带间隙；中间层，该中间层与上述阱层连接，并且在比上述阻挡层更靠近n型半导体一侧，具有大于第2带间隙，且小于第1带间隙的第3带间隙；对上述阱层，施加张拉变形。
在这里，在本发明的光调制器中，还可在上述中间层与比上述中间层中更靠近n型半导体一侧的阻挡层之间，包括具有规定的带间隙的1个以上的层，该规定的带间隙可在第2带间隙与第3带间隙之间，或在第3带间隙与第1带间隙之间。
在这里，在本发明的光调制器中，上述阱层的材料为InGaAsP，InGaAs，或InGaAlAs。
图1为说明本发明的第1实施例的光调制器的图；
图2为对本实施例的，具有带中间层11的张拉变形量子阱的光调制器1与不具有中间层的量子阱的各种特性进行比较的图；
图3为表示本实施例的，具有带中间层11的张拉变形量子阱的光调制器1的吸收光谱与α参数的计算结果的图；
图4为表示具有张拉变形纯量子阱的光调制器的吸收光谱与α参数的计算结果的图；
图5为说明本发明的第2实施例的光调制器的多重量子阱的能带的图；
图6为表示本发明的第3实施例的带光调制器的半导体激光器(调制器集成型半导体激光装置)的图；
图7为表示本发明的第4实施例的光放大器集成型光调制器的图；
图8为表示过去的EA调制器的能带(band)的图；
图9为表示驱动过去的光调制器的驱动电路的典型调制信号波形的图；
图10为表示过去的光调制器的消光特性的图。
本发明的实施例
图1(A)～(C)说明本发明的第1实施例的光调制器。图1(A)表示光调制器的整体，图1(B)表示说明多重量子阱的能带，图1(C)表示多重量子阱的1个周期的结构。在图1(A)中，标号1表示光调制器，标号2表示半绝缘性Si-InP衬底，标号3表示吸收层，标号4表示波导管，标号5表示p型电极，标号6表示n型电极。象图1A所示的那样，信号光通过波导管4，与吸收层3耦合，将n型电极6接地，对p型电极5施加负电压，使吸收层3的吸收系数增加，由此，可对信号光进行调制。
在图1(B)和(C)中，标号7表示p型包覆材料(clad)，标号8表示吸收层多重量子阱，标号8a表示每个周期的多重量子阱，标号9表示n型包覆材料(clad)，标号10表示阱层，标号11表示中间层，标号12表示阻挡层。对阱层10，施加张拉变形，具有晶格沿面内方向受到张拉变形状态的张拉量子变形量子阱结构。象图1(C)所示的那样，在阱层10与n侧的阻挡层12之间，插入中间层11。如果由Eb(Ev)表示阻挡层12的带间隙(band gap)(第1带间隙)，由Ew(eV)表示阱层10的带间隙(第2带间隙)，由Em(eV)表示中间层11的带间隙(第3带间隙)，则在它们之间，具有下述关系，即
数学式1
Ew＜Em＜Eb
图2为对第1实施例的具有带中间层11的张拉变形量子阱的光调制器1与不具有中间层11的张拉变形量子阱的各种特性进行比较的图。表示了具有带中间层11的张拉变形量子阱的光调制器1的消光特性的实测结果(实施例1)。图2(B)是表示了不具有中间层11的张拉变形单纯量子阱的消光特性的实测结果。在图2(A)和图2(B)中，横轴表示电压(V)，纵轴表示光输出(dB)，按照各消光特性在电压于0V附近的状态，相等的方式，选择条件。
图2(C)表示两者的线性调频脉冲特性(α参数)的实测结果。在这里，α参数指线宽放大系数，其表示折射率变化与吸收系数变化(或增益变化)的比。在图2(C)中，横轴表示电压(V)，纵轴表示α参数，实线表示带中间层11的张拉变形量子阱(第1实施例)的场合，虚线表示张拉变形纯量子阱的场合。
图2(A)的消光特性与图2(C)的实线(第1实施例)表示的α参数—电压特性对相同波长的结果。同样，图2(B)表示的消光特性与图2(C)的虚线(张拉变形纯量子阱)表示的α参数—电压特性对相同波长的结果。象图2(A)～(C)所示的那样，如果对张拉变形纯量子阱的光调制器与本第1实施例的带中间层11的张拉变形量子阱的光调制器进行比较，则在该第1实施例的场合，可在保持同等的消光特性的同时，仅仅减小线性调频脉冲。
图3(A)表示第1实施例的具有带中间层11的张拉变形量子阱的光调制器1的吸收光谱，图3(B)表示α参数的计算结果。在图3(A)中，横轴表示波长(nm)，纵轴表示吸收系数(cm-1)，在图3(B)中，横轴表示电压(V)，纵轴表示α参数。在图3(A)中，符号V1～V6表示外加电压，在该图中，给出各外加电压的吸收光谱。在这里，外加电压V1表示0V，V2～V6表示反向偏压，V2为-0.2V，V3为-0.6V，V4为-1.2V，V5为-1.6V，V6为-2.0V。象图3(A)所示的那样，可知道在外加反向偏压V2～V6时，吸收光谱的峰值和其短波长侧的吸收系数的跌落较大。外加电压时的光调制器的吸收系数与折射率的变化量按照Kramers-Kroning的关系式确定(结付)。象图3(A)所示的那样，在吸收光谱的峰值和其短波长侧的吸收系数的跌落较大的场合，可增加折射率变化的负的成分。由此，象图3(B)所示的那样，可减小α参数。
图4(A)表示具有张拉变形纯量子阱的光调制器的吸收光谱，图4(B)表示α参数的计算结果。在图4(A)中，横轴表示波长(nm)，纵轴表示吸收系数(cm-1)，符号V1～V6表示与图3(A)相同的外加电压，在图4(B)中，横轴表示电压(V)，纵轴表示α参数。象图4(A)所示的那样，与图3(A)所示的吸收系数相比较，吸收系数没有较大的跌落。其结果是，由于残留较大的正的折射率变化，故象图4(B)所示的那样，残留较大的正的α参数。
无论该第1实施例的阱层10的材料是什么样的材料，通过形成适合的阱宽度，变形率的参数，可获得相同的效果。作为光通信用调制光源，阱层10的材料可采用InGaAsP，InGaAs或InGaAlAs。上述图1～图4的实测结果和计算结果证实阱层10的材料采用InGaAsP的场合效果。
由此，如果采用第1实施例，在阱层10和n侧的阻挡层12之间插入中间层11，对阱层10，施加张拉变形，在阻挡层12的带间隙Eb(eV)，阱层10的带间隙Ew(eV)，中间层11的带间隙Em(eV)之间，可保持Ew＜Em＜Eb的关系。其结果是，与过去的张拉变形纯量子阱相比较，在本发明的，具有带中间层11的张拉变形量子阱的光调制器中，在不使光调制器的消光特性变差的情况下，可仅仅使线性调频脉冲减小。
第2实施例
图5(A)和(B)表示说明本发明的第2实施例的光调制器的多重量子阱的能源带的图。在图5中，由于采用与图1相同的标号的部位表示相同部件，故省略对其描述。在图5(A)中，标号13表示具有阱层10的带隙与中间层11的带间隙之间的带间隙的层。在图5(B)中，标号14表示具有中间层11的带间隙与阻挡层12的带间隙之间的带间隙的层。
在上述第1实施例中，在多重量子阱8的1个周期的量子阱8a中，具有阱层10，中间层11和阻挡层12这3种层。在第2实施例中，在1个周期的量子阱8a中，可具有在阱层10，中间层11和阻挡层12这3种层上添加上述的另一层的4种层。同样在该第2实施例中，通过施加有张拉变形的阱层10与中间层11的适合处理，在不牺牲其它的特性的情况下，可减小线性调频脉冲，这一点与第1实施例相同。
无论在每1个周期的量子阱8a中，层数为多少，如果采用与第1实施例相同的，具有阱层10和中间层11的张拉变形量子阱的结构，则可获得与第1实施例相同的效果。
如果按照上述方式，采用第2实施例，则可形成下述张拉变形量子阱结构，其中，其具有在第1实施例的具有阱层10，中间层11和阻挡层12这3种层的张拉变形量子阱结构中，添加另一层的4种层。在这里，该另一层的带间隙为阱层10和中间层11之间的带间隙，或中间层11与阻挡层12之间的带间隙。同样在此场合，与第1实施例相同，可在不使光调制器的消光特性变差的情况下，仅仅使线性调频脉冲减小。另外，无论在每1个周期的量子阱8a中，层数为多少，如果采用与第1实施例相同的，具有阱层10和中间层11的张拉变形量子阱的结构，则与第1实施例相同，可在不使光调制器的消光特性变差的情况下，仅仅使线性调频脉冲减小。
第3实施例
图6为表示本发明的第3实施例的带光调制器的半导体激光器(调制器集成型半导体激光装置)的图；在图6中，标号21表示在第1实施例，或第2实施例中已描述的光调制器1等，标号22表示隔离(isolasion)区域，标号23表示半导体激光器，标号24表示光调制器吸收层，标号25表示半导体激光器活性层，标号26表示衍射光栅，标号27表示InP衬底，标号28表示带光调制器的半导体激光器的整体。
在该第3实施例中，将上述第1实施例，或第2实施例的光调制器1与半导体激光器23集成，可同时具有通电流造成的激光发生的功能，以及高速低线性调频脉冲光调制的功能。
如果按照上述方式，采用第3实施例，通过将上述第1实施例，或第2实施例的光调制器1与半导体激光器23集成，可在不使带光调制器的半导体激光器28的消光特性变差的情况下，仅仅使线性调频脉冲减小。
第4实施例
图7为表示本发明的第4实施例的光放大器集成型光调制器的图。在图7中，由于带有与图6相同的标号的部位表示相同部件，故省略对其的描述。在图7中，标号32表示(半导体)光放大器，标号33表示光放大器活性层，标号31表示光放大器集成型光调制器的整体。
在本实施例4中，可在上述第1实施例，或第2实施例的光调制器1上，集成半导体光放大器32，通过半导体光放大器32，对因光调制器21的部分的光吸收产生的损耗进行补偿。
如果按照上述方式，采用第4实施例，可通过在第1实施例，或第2实施例的光调制器1上，集成半导体光放大器32，在不使消光特性变差的情况下，仅仅使线性调频脉冲减小。
作为光学装置，可包括上述第1实施例，或第2实施例的光调制器1，第3实施例的带光调制器的半导体激光器28和第4实施例的光放大器集成型光调制器31。同样在此场合，与第1实施例等相同，可形成在不使消光特性变差的情况下，仅仅使线性调频脉冲减小的光学装置。
作为光通信系统，可具有上述的光学装置。同样在此场合，与第1实施例等相同，可形成在不使消光特性变差的情况下，仅仅使线性调频脉冲减小的光通信系统。
本发明的效果
象上面所描述的那样，如果采用本发明的光调制器，则可在阱层10和n侧的阻挡层12之间，插入中间层11，对阱层10施加张拉变形，使阻挡层12的带间隙Eb(eV)，阱层10的带间隙Ew(eV)，中间层11的带间隙Em(eV)之间，可保持Ew＜Em＜Eb的关系。其结果是，可提供下述光调制器等，其可在不使消光特性变差的情况下，仅仅使线性调频脉冲减小。

Claims (3)

1.一种光调制器，该光调制器在p型半导体和n型半导体之间，具有多重量子阱的吸收层，其特征在于该多重量子阱的1个周期的结构具有：
阻挡层，该阻挡层具有第1带间隙；
阱层，该阱层与上述阻挡层连接，并且在比上述阻挡层更靠近n型半导体一侧，具有小于第1带间隙的第2带间隙；
中间层，该中间层与上述阱层连接，并且在比上述阻挡层更靠近n型半导体一侧，具有大于第2带间隙，且小于第1带间隙的第3带间隙；
对上述阱层，施加张拉变形。
2.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于该光调制器还在上述中间层与比上述中间层中更靠近n型半导体一侧的阻挡层之间，包括具有规定的带间隙的1个以上的层，该规定的带间隙在第2带间隙与第3带间隙之间，或在第3带间隙与第1带间隙之间。
3.根据权利要求1或2所述的光调制器，其特征在于上述阱层的材料为InGaAsP，InGaAs或InGaAlAs。
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