DE10248713B4

DE10248713B4 - Optischer Modulator

Info

Publication number: DE10248713B4
Application number: DE10248713A
Authority: DE
Inventors: Yasunori Miyazaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2022-10-19
Also published as: TWI307163B; CN1442726A; DE10248713A1; JP3904947B2; US20030164999A1; KR100500097B1; JP2003255286A; CN1196954C; US6978055B2; KR20030071614A

Abstract

Optischer Modulator (1), der eine Licht-Absorptionsschicht (3) aus Mehrfach-Quantentöpfen zwischen einem p-leitenden Halbleiter (7) und einem n-leitenden Halbleiter (9) aufweist, wobei eine Struktur (8a) einer Periode der Mehrfach-Quantentöpfe umfasst:
eine Barrierenschicht (12) mit einer ersten Bandlückenenergie;
eine Quantentopfschicht (10), die an die Barrierenschicht (12) angrenzt und näher an dem n-leitenden Halbleiter (9) liegt als die Barrierenschicht (12), wobei die Quantentopfschicht (10) eine zweite Bandlückenenergie aufweist, die kleiner ist als die erste Bandlückenenergie;
eine Zwischenschicht (11), die an die Quantentopfschicht (10) angrenzt und näher an dem n-leitenden Halbleiter (9) liegt als die Quantentopfschicht (10), wobei die Zwischenschicht (11) eine dritte Bandlückenenergie aufweist, die gröber als die zweite Bandlückenenergie und kleiner als die erste Bandlückenenergie ist; und
eine oder mehrere Schichten (13, 14), die vorbestimmte Bandlückenenergien aufweisen und zwischen der Zwischenschicht (11) und der Barrierenschicht (12), die näher an dem n-leitenden Halbleiter (9) liegt,...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Modulator, der eine optische bzw. Licht-Absorptionsschicht mit einem Mehrfach-Quantentopf zwischen einem p-leitenden Halbleiter und einem n-leitenden Halbleiter aufweist.
Beschreibung des Standes der Technik
Ein optischer Elektroabsorptionsmodulator (EA-Modulator) ist ein optischer Modulator, der den Elektroabsorptionseffekt ausnutzt, d.h. die Tatsache, dass der optische Absorptionskoeffizient (nachfolgend kurz als "Absorptionskoeffizient" bezeichnet) eines Stoffes in Abhängigkeit von einem an den Stoff angelegten elektrischen Feld variiert. Insbesondere moduliert der EA-Modulator Licht, indem er durch Anlegen eines elektrischen Feldes an eine Absorptions-Wellenleiterschicht eines Halbleiters in der Schicht eine Änderung des Absorptionskoeffizienten induziert. EA-Modulatoren werden allgemein eingeteilt in einen Typ, der eine Absorptions-Wellenleiterschicht mit einer Quantentopf-Struktur verwendet, und einen Typ, der an Stelle einer Wellenleiterschicht eine Bulk-Halbleiterschicht verwendet.
8A und 8B sind Energieband-Diagramme eines herkömmlichen EA-Modulators, der eine Absorptions-Wellenleiterschicht mit einer Quantentopf-Struktur verwendet, und 8C ist ein Energieband-Diagramm eines herkömmlichen EA-Modulators, der eine Bulk-Halbleiterschicht verwendet.
In den 8A bis 8C bezeichnet die Bezugszahl 101 einen p-leitenden Halbleiter, 102 eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur bzw. einen Mehrfach-Quantentopf, 102a eine Quantentopf-Struktur mit einer Periode innerhalb des Mehrfach-Quantentopfes 102, 103 einen n-leitenden Halbleiter, 104 eine Barrierenschicht auf der Seite des p-leitenden Halbleiters (p-seitige Barrierenschicht) oder eine Barrierenschicht auf der Seite des n-leitenden Halbleiters (n-seitige Barrierenschicht), 105 einen einzelnen Quantentopf und 106 eine Bulk-Halbleiterschicht.
Üblicherweise wird bei optischen Modulatoren für Modulationssysteme mit Modulationsraten (Bitraten) von 2,5 Gbps und 10 Gbps versucht, gute Lichtwellenformen mit geringem Chirp-Grad zu erzeugen, indem die Struktur der Absorptionsschicht optimiert wird. Hierin bedeutet "Chirping" (oder "chirp") das Phänomen, wonach sich die Lichtfrequenz als Funktion der Zeit stetig ändert. Jedoch wird die Erzeugung guter Lichtwellenformen, d.h. Lichtwellenformen mit geringem Chirp-Grad, mit zunehmender Bitrate, welche für optische Modulatoren erforderlich ist, schwierig. Insbesondere besteht das Problem, dass bisher keine wirksamen Maßnahmen zur Reduzierung des Chirp-Grades von optischen Modulatoren für Modulationssysteme mit einer Bitrate von 40 Gbps vorgeschlagen wurde.
Im folgenden wird beschrieben, wie eine Reduzierung des Chirp-Grades mit zunehmender, für eine optische Modulation erforderlichen Bitrate, schwieriger wird. 9A und 9B zeigen typische Wellenformen eines Modulationssignals von Treiberschaltungen zur Ansteuerung eines herkömmlichen optischen Modulators. Insbesondere zeigen die 9A und 9B Wellenformen eines Modulationssignals für den Fall, bei dem die Bitrate 10 Gbps bzw. 40 Gbps beträgt. wie in 9A gezeigt ist, wo die Bitrate 10 Gbps beträgt, ist die Wellenform des Modulationssignals nahezu eine Rechteckwelle, bei der das 0-Niveau und ein 1-Niveau leicht vonein ander unterschieden werden können, wie in dem Bereich Pa zu sehen ist, der durch eine gestrichelte Linie eingegrenzt ist. Andererseits kann, wie in 9B gezeigt ist, wo die Bitrate 40 Gbps beträgt, selbst mit einer Treiberschaltung, die für diese Modulationsrate optimiert ist, nur eine Wellenform gewonnen werden, die eher einer rhombischen Wellenform als einer rechteckigen Wellenform ähnelt, wie dem Bereich Pb zu sehen ist, der durch eine gestrichelte Linie begrenzt ist. Darüber hinaus ist, wie in 9B gezeigt ist, die Verbreiterung σ_m der 1-Niveau-Linie erhöht, was in optischen Kommunikationssystemen ein Maß für eine erhöhte Bitfehlerquote von über Lichtwellenleiter übertragenen Codes ist. Wie oben beschrieben ist, verschlechtert sich bei herkömmlichen optischen Modulatoren mit zunehmender Bitrate die Wellenform des Modulationssignals, woraus sich das Problem ergibt, äquivalente Wellenformen optischer Signale unabhängig von der Bitrate zu erzeugen.
Um das obige Problem zu lösen, ist es erforderlich, dass die Extinktionscharakteristik eines optischen Modulators in der Nähe des 1-Niveaus einen kleinen Gradienten aufweist. Dabei versteht man unter Extinktionscharakteristik eine Kennlinie, die die Abhängigkeit einer optischen Ausgangsleitung von einer angelegten Spannung (V) angibt. Dies wird nachfolgend anhand der die in den 10A bis 10C gezeigten Extinktionscharakteristiken herkömmlicher optischer Modulatoren beschrieben.
In 10A ist auf der horizontalen Achse die angelegte Spannung (V) und auf der vertikalen Achse die Ausgangsleistung eines modulierten optischen Signals aufgetragen. In 10A bezeichnet V_pp eine Spannungsamplitude (V), V₀ ein Spannungsfenster (V) und ΔV eine Verbreiterung (V) der angelegten Spannung. Die Kennlinien "a" und "b" sind Extinktionscharakteristiken verschiedener optischer Modulatoren. 10B zeigt eine modulierte optische Wellenform, und 10C zeigt eine Wellenform des Modulati onssignals. Wie in 10A gezeigt ist, zeigen die Kennlinien a und b der Extinktionscharakteristik bei derselben Spannungsamplitude V_pp die gleiche Extinktionsrate Ex (dB). Die Extinktionsrate bezeichnet das Verhältnis eines Höchstwertes zu einem Mindestwert, die man erhält, wenn die transmittierte optische Intensität des optischen Modulators verändert wird. Der Ausdruck "Gradient in der Nähe des 1-Niveaus" (jede der Kennlinien a und b der Extinktionscharakteristik) bedeutet ein Extinktionsverhältnis Ex (dB) für eine Verbreitung der angelegten Spannung auf der Seite des 1-Niveaus des modulierten optischen Signals (in 10A auf der 0-V-Seite der angelegten Spannung). Wie in 10A gezeigt ist, ist bei der Kennlinie a der Extinktionscharakteristik (d.h. bei dem optischen Modulator, der eine solche Extinktionscharakteristik aufweist) der Gradient in der Nähe des 1-Niveaus klein, d.h. das Extinktionsverhältnis Ex,a (dB) für eine Verbreiterung ΔV der Wellenform des Modulationssignals auf der Seite des 1-Niveaus ist klein. Andererseits ist bei dem optischen Modulator, der die Kurve b der Extinktionscharakteristik zeigt (d.h. bei einem optischen Modulator, der eine solche Extinktionscharakteristik aufweist) der Gradient in der Nähe des 1-Niveaus groß, d.h. ein Extinktionsverhältnis Ex,b (dB) für eine Verbreiterung ΔV der Wellenform des Modulationssignals auf der Seite des 1-Niveaus ist groß. Es gilt die Beziehung Ex,a < Ex,b. Bei der in 10B gezeigten modulierten optischen Wellenform entspricht eine Verbreiterung der modulierten optischen Wellenform in der Nähe des 1-Niveaus dem Extinktionsverhältnis Ex,a oder Ex,b. Um somit einen optischen Modulator zu erhalten, der eine kleine Verbreiterung einer modulierten optischen Wellenform in der Nähe des 1-Niveaus erzeugt und somit eine gute Bitfehlerquote ermöglicht, sollte eine Extinktionscharakteristik realisiert werden, die der Kennlinie a und nicht der Kennlinie b entspricht. Daher ist ein optischer Modulator erforderlich, bei dem mit zunehmender Bitrate das Extinktionsverhältnis Ex (dB) in etwa konstant gehalten wird und der Gradient in der Nähe des 1-Niveaus der Extinktionscharakteristik klein gehalten wird.
Als allgemeine empirische Regel gilt jedoch, dass, wenn ein Mittel zur Verringerung des Gradienten in der Nähe des 1-Niveaus der Extinktionscharakteristik verwendet wird, ohne das Extinktionsverhältnis Ex (dB) zu verschlechtern, d.h. wenn zum Beispiel ein Mittel zur Einstellung der Breite des Quantentopfes oder der Barrierenhöhe von Mehrfach-Quantentöpfen (MQWs) verwendet wird, die in einer optischen Absorptionsschicht eines optischen Modulators verwendet werden, nimmt notwendigerweise der Chirp-Grad zu. Es besteht daher das Problem, den Chirp-Grad zu reduzieren, ohne dabei die Extinktionscharakteristik eines optischen Modulators zu verschlechtern. Es wird angenommen, dass dieses Problem die Herstellung eines Low-Chirp-Modulators verhindert, der bei Modulationsraten in der Höhe von 40 Gbps verwendet wird. Tatsächlich wurde bislang von keinen wissenschaftlichen Konferenzen über Low-Chirp-Modulatoren berichtet, die bei 40 Gpbs betrieben werden können.

Aus der US 6 275 321 B1 ist ein gattungsgemäßer optischer Modulator mit einer Lichtabsorptionsschicht aus Mehrfach-Quantentöpfen bekannt, die zwischen einem p-leitenden und einem n-leitenden Halbleitersubstrat angeordnet sind. Die Struktur einer Periode der Mehrfach-Quantentopfstruktur besteht hierbei aus einer Barrierenschicht, einer Quantentopfschicht und einer Zwischenschicht mit jeweils unterschiedlicher Breite für die Energielücke, wobei auf die Quantentopfschicht eine Zugspannung ausgeübt wird.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Modulator oder eine ähnliche Vorrichtung bereitzustellen, der/die es ermöglicht, den Chirp-Grad zu reduzieren, ohne dabei die Charakteristik des Extinktionsverhältnisses zu verschlechtern.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein optischer Modulator bereitgestellt, der eine Licht-Absorptionsschicht aus Mehrfach-Quantentöpfen zwischen einem p-leitenden Halbleiter und einem n-leitenden Halbleiter aufweist, wobei eine Struktur einer Periode der Mehrfach-Quantentöpfe umfasst: eine Barrierenschicht mit einer ersten Bandlückenenergie, eine Quantentopfschicht, die an die Barrierenschicht angrenzt und näher an dem n-leitenden Halbleiter liegt als die Barrierenschicht, wobei die Quantentopfschicht eine zweite Bandlückenenergie aufweist, die kleiner ist als die erste Bandlückenenergie, eine Zwischenschicht, die an die Quantentopfschicht angrenzt und näher an dem n-leitenden Halbleiter liegt als die Quantentopfschicht, wobei die Zwischenschicht eine dritte Bandlückenenergie aufweist, die größer ist als die zweite Bandlückenenergie und kleiner ist als die erste Bandlückenenergie, und eine oder mehrere Schichten, die vorbestimmte Bandlückenenergien aufweisen und zwischen der Zwischenschicht und der Barrierenschicht, die näher an dem n-leitenden Halbleiter liegt, angeordnet sind, wobei eine Zugspannung auf die Quantentopfschicht ausgeübt wird, und wobei die vorbestimmten Bandlückenenergien zwischen der zweiten Bandlückenenergie und der dritten Bandlückenenergie oder zwischen der dritten Bandlückenenergie und der ersten Bandlückenenergie liegen.

Der optische Modulator, der die unter Zugspannung verzerrten Quantentöpfe mit Zwischenschichten aufweist, kann den Chirp-Grad reduzieren, ohne die Charakteristik des Extinktionsverhältnisses des optischen Modulators zu verschlechtern.

Die obigen und weitere Ziele, Effekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlicher aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1A bis 1C veranschaulichen einen optischen Modulator gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

2A bis 2C sind Kennlinien zum Vergleich verschiedener Charakteristiken des optischen Modulators 1, der die unter Zugspannung verzerrte Quantentöpfe mit den Zwischenschichten 11 gemäß der ersten Ausführungsform aufweist, mit denen eines optischen Modulators, der unter Bezugspannung verzerrte einfache Quantentöpfe ohne Zwischenschichten 11 aufweist.

3A zeigt Absorptionsspektren des optischen Modulators 1, der die unter- Zugspannung verzerrten Quantentöpfe mit den Zwischenschichten 11 gemäß der ersten Ausführungsform aufweist, und 3B zeigt ein Berechnungsergebnis des Parameters α.

4A zeigt Absorptionsspektren eines optischen Modulators, der einen unter Zugspannung verzerrten einfachen Quantentopf aufweist, und 4B zeigt ein Berechnungsergebnis des Parameters α.

5A und 5B sind Energieband-Diagramme, die Mehrfach-Quantentöpfe eines optischen Modulators gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen.

6 zeigt einen Halbleiterlaser mit einem optischen Modulator (d.h. eine Halbleiterlaservorrichtung mit integriertem Modulator) gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

7 zeigt einen optischen Modulator mit integriertem optischen Verstärker gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.

8A und 8B sind Energieband-Diagramme eines herkömmlichen EA-Modulators, der eine Absorptions-Wellenleiterschicht mit einer Quantentopf-Struktur verwendet, und 8C ist ein Energiebanddiagramm eines herkömmlichen EA-Modulators, der eine Bulk-Halbleiterschicht verwendet.

9A und 9B zeigen typische Wellenformen eines Modulationssignals von Treiberschaltungen zur Ansteuerung eines herkömmlichen optischen Modulators.

10A zeigt die Charakteristiken des Extinktionsverhältnisses eines herkömmlichen optischen Modulators, und

10B zeigt eine modulierte optische Wellenform, und

10C zeigt eine Wellenform des Modulationssignals.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen gleiche oder entsprechende Komponenten.

Erste Ausführungsform
1A bis 1C veranschaulichen einen optischen Modulator gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 1A zeigt einen gesamten optischen Modulator. 1B ist ein Energiebanddiagramm von Mehrfach-Quantentöpfen. 1C zeigt die Struktur einer Periode der Mehrfach-Quantentöpfe. In 1A bezeichnet die Bezugszahl 1 einen optischen Modulator, 2 ein halbisolierendes Si-InP-Substrat, 3 eine optische Absorptionsschicht, 4 einen Wellenleiter, 5 eine p-leitende Elektrode und 6 eine n-leitende Elektrode. wie in 1A gezeigt ist, ist das Signallicht über den Wellenleiter 4 mit der Absorptionsschicht 2 gekoppelt. Das Signallicht kann modelliert werden, indem der Absorptionskoeffizient der Absorptionsschicht 3 dadurch erhöht wird, dass die n-leitende Elektrode 6 geerdet wird und eine negative Spannung an die p-leitende Elektrode 5 angelegt wird.
In den 1B und 1C bezeichnet die Bezugszahl 7 eine p-leitende Abdeckschicht, 8 Mehrfach-Quantentöpfe, 8a eine Periode der Mehrfach-Quantentöpfe, 9 eine n-leitende Abdeckschicht, 10 eine Quantentopfschicht, 11 eine Zwischenschicht und 12 eine Barrierenschicht. Auf die Quantentopfschicht 10 wird eine Zugspannung ausgeübt, wodurch eine unter Zugspannung verzerrte Quantentopf-Struktur erzeugt wird, bei der auf die Kristallgitter eine Zugspannung über die Ebene ausgeübt wird. Wie in 1C gezeigt ist, ist die Zwischenschicht 11 zwischen der Quantentopfschicht 10 und der n-seitigen Barrierenschicht 12 angeordnet. Die Bandlücke (erste Bandlücke) Eb (eV) der Barrierenschichten 12, die Bandlücke (zweite Bandlücke) Ew (eV) der Quantentopfschicht 10 und die Bandlücke (dritte Bandlücke) Ein (eV) der Zwischenschicht 11 genügen der Beziehung Ew < Em < Eb. (1)
2A bis 2C sind Kennlinien zum Vergleich verschiedener Charakteristiken des optischen Modulators 1, der die unter Zugspannung verzerrten Quantentöpfe mit den Zwischenschichten 11 gemäß der ersten Ausführungsform aufweist, mit jenen eines optischen Modulators, der unter Zugspannung verzerrte einfache Quantentöpfe ohne Zwischenschichten 11 aufweist. 2A zeigt ein Messergebnis einer Extinktionscharakteristik des optischen Modulators 1, der die unter Zugspannung verzerrten Quantentöpfe mit den Zwischenschichten 11 (die erste Ausführungsform) aufweist, und 2B zeigt ein Messergebnis einer Extinktionscharakteristik des optischen Modulators, der die unter Zugspannung verzerrten einfachen Quantentöpfe ohne Zwischenschichten 11 aufweist. In den 2A und 2B sind auf der horizontalen Achse die Spannung (V) und auf der vertikalen Achse die optische Ausgangsleistung (dB) aufgetragen. Die Bedingungen sind so eingestellt, dass die beiden Extinktionscharakteristiken bei einer Spannung von ungefähr 0 V gleich werden.
2C zeigt Messergebnisse von Chirp-Charakteristiken (Abhängigkeit des Parameters α von der Spannung) der beiden optischen Modulatoren. Der Parameter α ist ein Linienbreiten-Vergrößerungsfaktor und ist ein Verhältnis zwischen einer Änderung des Brechungsindex und einer Änderung eines Absorptionskoeffizienten (oder einer Verstärkungsveränderung). In 2C ist auf der horizontalen Achse die Spannung (V) und auf der vertikalen Achse der Parameter α aufgetragen. Die durchgezogene Linie repräsentiert eine Charakteristik des optischen Modulators 1, der die unter Zugspannung verzerrten Quantentöpfe mit den Zwischenschichten 11 gemäß der ersten Ausführungsform aufweist, und die gestrichelte Linie repräsentiert eine Charakteristik des optischen Modulators, der die unter Zugspannung verzerrten einfachen Quantentöpfe aufweist.
Die Extinktionscharakteristik der 2A und die Abhängigkeit des Parameters α von der Spannung (durchgezogene Linie: erste Ausführungsform) der 2C wurden bei derselben Wellenlänge gewonnen. Ebenso wurde die Extinktionscharakteristik der 2B und die Abhängigkeit des Parameters α von der Spannung (gestrichelten Linie: unter Zugspannung verzerrter einfacher Quantentopf) der 2C bei der gleichen Wellenlänge gewonnen. Wie in den 2A bis 2C zu entnehmen ist, weist der optische Modulator 1, der die unter Zugspannung verzerrten Quantentöpfe mit den Zwischenschichten 11 gemäß der ersten Ausführungsform aufweist, einen geringeren Chirp-Grad auf als der optische Modulator, der die unter Zugspannung verzerrten einfachen Quantentöpfe aufweist, wohingegen beide optische Modulatoren äquivalente Extinktionscharakteristiken aufweisen.
3A zeigt Absorptionsspektren des optischen Modulators 1, der die unter Zugspannung verzerrten Quantentöpfe mit den Zwischenschichten 11 gemäß der ersten Ausführungsform aufweist, und 3B zeigt ein Berechnungsergebnis des Parameters α. In 3A ist auf der horizontalen Achse die Wellenlänge (nn) und auf der vertikalen Achse der Absorptionskoeffizient (cm^–1) aufgetragen. In 3B ist auf der horizontalen Achse die Spannung (V) und auf der vertikalen Achse der Parameter α angegeben. 3A zeigt Absorptionsspektren, die den jeweils angelegten Spannungen V1 bis V6 entsprechen. Die angelegte Spannung V1 beträgt 0 V. Die angelegten Spannungen V2 bis V6 sind Sperrspannungen von –0,2 V, –0,6 V, –1,2 V, –1,6 V bzw. –2,0 V. Es ist zu erkennen, dass die Peaks und der kurzwellige Bereich des Absorptionsspektrums stark abnehmen, wenn die Sperrspannungen V2 bis V6 angelegt sind. Eine Änderung des Absorptions koeffizienten und eine Änderung des Brechungsindex eines optischen Modulators, die eintreten, wenn eine Spannung angelegt ist, korrelieren miteinander gemäß den Kramers-Kronig-Beziehungen. Dort, wo die Peaks und der kurzwellige Abschnitt des Absorptionsspektrums stark abnehmen, wie es in 3A gezeigt ist, kann die negative Komponente einer Änderung des Brechungsindex groß gemacht werden. Daher kann der Parameter α klein gemacht werden, wie es in 3B gezeigt ist.
4A zeigt Absorptionsspektren eines optischen Modulators, der unter Zugspannung verzerrte einfache Quantentöpfe aufweist, und 4B zeigt ein Berechnungsergebnis des Parameters α. In 4A ist auf der horizontalen Achse die Wellenlänge (nm) und auf der vertikalen Achse der Absorptionskoeffizient (cm^–1) aufgetragen. 4A zeigt Absorptionsspektren, die den jeweils angelegten Spannungen V1 bis V6 entsprechen, welche die gleichen sind wie die in 3A. In 4B ist auf der horizontalen Achse die Spannung (V) und auf der vertikalen Ache der Parameter α aufgetragen. Man sieht, dass das Absorptionsspektrum, im Gegensatz zu dem in 3A gezeigten Fall, nicht stark abnimmt. Daraus folgt, dass eine positive Änderung des Brechungsindex und somit weiterhin ein großer positiver Wert α vorhanden ist, wie es in 4B gezeigt ist.
Bei der ersten Ausführungsform kann man die gleichen Effekte selbst dann erhalten, wenn die Quantentopfschicht 10 aus einem beliebigen Material besteht, indem man die Breite des Quantentopfes und den Parameter für die Verzerrungskoeffizienten optimiert. Bei der Verwendung in Modulationslichtquellen zur optischen Kommunikation, können als Material der Quantentopfschicht 10 InGaAsP, InGaAs sowie InGaAlAs verwendet werden. Die Messergebnisse und die Berechnungen, die oben mit Bezug auf die 1A bis 1C sowie die 4A und 4B gezeigt sind, zeigen die Ef fekte, die man erzielt, wenn InGaAsP als Material für die Quantentopfschicht 10 verwendet wird.
Wie oben beschrieben ist, kann gemäß der ersten Ausführungsform die Beziehung Ew < Em < Eb zwischen der Bandlücke Eb (eV) der Barrierenschichten 12, der Bandlücke Ew (eV) der Quantentopfschicht 10 und der Bandlücke Em (eV) der Zwischenschicht 11 realisiert werden, indem die Zwischenschichten 11 zwischen der Quantentopfschicht 10 und der n-leitenden Barrierenschicht 12 angeordnet wird und eine Zugspannung in der Quantentopfschicht 10 erzeugt wird. Daraus folgt, dass der optische Modulator, der unter Zugspannung verzerrte Quantentöpfe mit Zwischenschichten 11 gemäß der ersten Ausführungsform aufweist, anders als der herkömmliche optische Modulator, der unter Zugspannung verzerrte einfache Quantentöpfe aufweist, den Chirp-Grad reduzieren kann, ohne dabei die Extinktionscharakteristik des optischen Modulators zu verschlechtern.
Zweite Ausführungsform
Die 5A und 5B sind Energieband-Diagramme, die Mehrfach-Quantentöpfe eines optischen Modulators gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen. Elemente in den 5A und 5B, die entsprechende Elemente wie in 1C bezeichnen, sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen und werden nicht beschrieben. In 5A bezeichnet die Bezugszahl 13 eine Schicht, deren Bandlücke zwischen den Bandlücken der Quantentopfschicht 10 und der Zwischenschicht 11 liegt. In 5B bezeichnet die Bezugszahl 14 eine Schicht, deren Bandlücke zwischen den Bandlücken der Zwischenschicht 11 und der Barrierenschichten 12 liegt.
Bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform sind drei Arten von Schichten, d.h. die Quantentopfschicht 10, die Zwischenschicht 11 und die Barrierenschicht 12, in jeder Periode des Quantentopfes 8a der Mehrfach-Quantentöpfe 8 angeordnet. Im Gegensatz dazu sind bei der zweiten Ausführungsform vier Arten von Schichten, d.h. die obigen drei Arten von Schichten und einer zusätzlichen Schicht in jeder Periode des Quantentopfes 8a angeordnet. Ebenso wie die erste Ausführungsform kann die zweite Ausführungsform den Chirp-Grad reduzieren, ohne andere Charakteristiken zu verschlechtern, indem auf die Quantentopfschicht 10, die einer Zugspannung ausgeübt und die Zwischenschicht 11 optimiert wird.
Unabhängig von der Anzahl der Schichten, die jede Periode des Quantentopfes 8a umfasst, kann man die gleichen Effekte wie bei der ersten Ausführungsform erhalten, solange eine unter Zugspannung verzerrte Quantentopf-Struktur, einschließlich der gleichen Quantentopfschicht 10 und der Zwischenschicht 11 wie bei der ersten Ausführungsform, vorliegt.
Wie oben beschrieben ist, wird bei der zweiten Ausführungsform die unter Zugspannung verzerrte Quantentopf-Struktur bereitgestellt, die vier Arten von Schichten aufweist, d.h. die Quantentopfschicht 10, die Zwischenschicht 11 und die Barrierenschichten 12 der ersten Ausführungsform, sowie die zusätzliche Schicht. Die Bandlücke der zusätzlichen Schicht liegt zwischen den Bandlücken der Quantentopfschicht 10 und der Zwischenschicht 11 oder zwischen den Bandlücken der Zwischenschicht 11 und den Barrierenschichten 12. Selbst mit dieser Struktur kann die zweite Ausführungsform, wie die erste Ausführungsform, den Chirp-Grad reduzieren, ohne die Extinktionscharakteristik des optischen Modulators zu verschlechtern. Unabhängig von der Anzahl der Schichten, die jede Periode des Quantentopfes 8a umfasst, kann die zweite Ausführungsform den Chirp-Grad reduzieren, ohne die Extinktionscharakteristik des optischen Modulators zu verschlechtern, so lange jede Periode des Quantentopfes 8a eine unter Zugspannung verzerrte Quantentopf-Struktur, einschließlich der gleichen Quantentopf schicht 10 und der Zwischenschicht 11 der ersten Ausführungsform, aufweist.
Dritte Ausführungsform
6 zeigt einen Halbleiterlaser mit einem optischen Modulator (d.h. eine Halbleiterlaservorrichtung mit integriertem Modulator) gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. In 6 bezeichnet die Bezugszahl 21 den optischen Modulator gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform, 22 einen Isolierungsbereich, 23 einen Halbleiterlaser, 24 eine Absorptionsschicht des optischen Modulators, 25 eine aktive Schicht eines Halbleiterlasers, 26 ein Beugungsgitter, 27 ein InP-Substrat und 28 den gesamten Halbleiterlaser mit einem optischen Modulator.
Bei der dritten Ausführungsform ist der optische Modulator 1 gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform mit dem Halbleiterlaser 23 integriert, wodurch diese Vorrichtung sowohl die Laserlicht-Erzeugungsfunktion, die durch die Stromeinspeisung realisiert wird, als auch die optische Hochgeschwindigkeits-Low-Chirp-Modulationsfunktion ausübt.
Wie oben beschrieben ist, kann bei der dritten Ausführungsform den Chirp-Grad durch Integration des optischen Modulators 1 gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform mit dem Halbleiterlaser 23 reduziert werden, ohne die Extinktionscharakteristik des Halbleiterlasers 28 mit einem optischen Modulator zu verschlechtern.
Vierte Ausführungsform
7 zeigt einen optischen Modulator mit integriertem optischen Verstärker gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Elemente in 7, die den Elementen in 6 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht beschrieben. In 7 bezeichnet die Bezugszahl 32 einen optischen (Halbleiter-) Verstärker, 33 eine aktive Schicht eines optischen Verstärkers und 31 den gesamten optischen Modulator mit integriertem optischen Verstärker.
Bei einer vierten Ausführungsform ist der optische Halbleiterverstärker 32 mit dem optischen Modulator 1 gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform integriert, wodurch Verluste, die durch Absorption von Licht in dem optischen Modulator 21 verursacht sind, durch den optischen Halbleiterverstärker 32 kompensiert werden können.
Wie oben beschrieben ist, kann bei der vierten Ausführungsform der Chirp-Grad durch Integration des optischen Halbleiterverstärkers 32 mit dem optischen Modulator gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform reduziert werden, ohne die Charakteristik des Extinktionsverhältnisses zu verschlechtern.
Der optische Modulator 1 gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform, der Halbleiterlaser 28 mit einem optischen Modulator gemäß der dritten Ausführungsform oder der optische Modulator 31 mit integriertem optischen Verstärker gemäß der vierten Ausführungsform können als modulare optische Vorrichtung bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann in diesem Fall die modulare optische Vorrichtung den Chirp-Grad reduzieren, ohne die Extinktionscharakteristik zu verschlechtern, wie es im Falle der ersten Ausführungsform der Fall ist.
Eine solche modulare optische Vorrichtung kann als Teil eines optischen Kommunikationssystems bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann in diesem Fall das optische Kommunikationssystem, wie bei der ersten Ausführungsform, der Chirp-Grad reduzieren, ohne die Extinktionscharakteristik zu verschlechtern.
Wie oben beschrieben ist, kann die Beziehung Ew < Em < Eb gemäß dem optischen Modulator der Erfindung zwischen der Bandlücke Eb (eV), der Barrierenschichten 12, der Bandlücke Ew (eV) der Quantentopfschicht 10 und der Bandlücke Em (eV) der Zwischenschicht 11 hergestellt werden, indem die Zwischenschicht 11 zwischen der Quantentopfschicht 10 und der n-seitigen Barrierenschicht 12 angeordnet ist, und eine Zugspannung in der Quantentopfschicht 10 hergestellt wird. Folglich kann die Erfindung einen optischen Modulator bereitstellen, der in der Lage ist, den Chirp-Grad zu reduzieren ohne die Extinktionscharakteristik des optischen Modulators zu verschlechtern.
Dabei kann der optische Modulator eine oder mehrere Schichten aufweisen, die vorbestimmte Bandlücken zwischen der Zwischenschicht und der Barrierenschicht aufweisen, die näher bei dem n-leitenden Halbleiter liegt, wobei die vorbestimmten Bandlücken zwischen der zweiten Bandlücke und der dritten Bandlücke oder in der dritten Bandlücke und der ersten Bandlücke liegen.
Bei dem optischen Modulator kann die Quantentopfschicht aus InGaAsP, InGaAs oder InGaAlAs hergestellt sein.
Die vorliegende Erfindung wurde ausführlich mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben, und aus dem Vorangegangenen wird dem Fachmann klar sein, dass Änderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne dabei von der Erfindung in ihrer breitesten Auslegung abzuweichen. Die Erfindung deckt somit all jene Änderungen und Modifikationen durch die beigefügten Ansprüche ab, die unter den wahren Geist der Erfindung fallen.
Die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-056077, eingereicht am 1. März 2002, einschließlich der Beschreibung, den Ansprüchen, den Zeichnungen und der Zusammenfassung sind hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit enthalten.

Claims

Optischer Modulator (1), der eine Licht-Absorptionsschicht (3) aus Mehrfach-Quantentöpfen zwischen einem p-leitenden Halbleiter (7) und einem n-leitenden Halbleiter (9) aufweist, wobei eine Struktur (8a) einer Periode der Mehrfach-Quantentöpfe umfasst: eine Barrierenschicht (12) mit einer ersten Bandlückenenergie; eine Quantentopfschicht (10), die an die Barrierenschicht (12) angrenzt und näher an dem n-leitenden Halbleiter (9) liegt als die Barrierenschicht (12), wobei die Quantentopfschicht (10) eine zweite Bandlückenenergie aufweist, die kleiner ist als die erste Bandlückenenergie; eine Zwischenschicht (11), die an die Quantentopfschicht (10) angrenzt und näher an dem n-leitenden Halbleiter (9) liegt als die Quantentopfschicht (10), wobei die Zwischenschicht (11) eine dritte Bandlückenenergie aufweist, die gröber als die zweite Bandlückenenergie und kleiner als die erste Bandlückenenergie ist; und eine oder mehrere Schichten (13, 14), die vorbestimmte Bandlückenenergien aufweisen und zwischen der Zwischenschicht (11) und der Barrierenschicht (12), die näher an dem n-leitenden Halbleiter (9) liegt, angeordnet sind; wobei auf die Quantentopfschicht (10) eine Zugspannung ausgeübt wird; und wobei die vorbestimmten Bandlückenenergien zwischen der zweiten Bandlückenenergie und der dritten Bandlückenenergie oder zwischen der dritten Bandlückenenergie und der ersten Bandlückenenergie liegen.
Optischer Modulator (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Quantentopfschicht (10) aus InGaAsP, InGaAs oder InGaAlAs besteht.