DE3715071A1

DE3715071A1 - Optischer halbleiter-fremdmodulator

Info

Publication number: DE3715071A1
Application number: DE19873715071
Authority: DE
Inventors: Masatoshi Suzuki; Yukio Noda; Yukitoshi Kushiro; Shigeyuki Akiba
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1986-05-07
Filing date: 1987-05-06
Publication date: 1987-11-12
Also published as: DE3715071C2; JPS62260120A; GB2191015A; GB2191015B; US4837526A; GB8710763D0; JPH0465367B2

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Modulator, welcher das Ausgangslicht von einer lichtemittierenden Quelle moduliert, insbesondere einen optischen Fremdmodulator, der dazu bestimmt ist, die Spektralbreite des Lichtes während einer Hochgeschwindigkeitsmodulation zu verbessern.

Aufgrund seiner geringen Größe, seinem hohen Wirkungsgrad und hoher Zuverlässigkeit ist ein Halbleiter-Laser bereits praktisch als Lichtquelle für eine Nachrichtenverbindung über eine optische Faser verwendet worden. Ein weiteres beachtliches Merkmal des Halbleiter-Lasers ist die Möglichkeit einer unmittelbaren Modulation, jedoch bewirkt eine direkte Hochgeschwindigkeits- Modulation eine Vergrößerung der Spektralbreite des Ausgangslichtes des Halbleiter-Lasers, was ein schwerwiegender Nachteil für eine Nachrichtenverbindung über eine optische Faser über eine große Entfernung bei großer Kapazität bedeutet. Ein üblicher Halbleiter-Laser, welcher die geschlitzten Facetten verwendet, schwingt während der Hochgeschwindigkeits- Modulation bei mehreren Wellenlängen, und er wird deshalb nur im 1,3 µm Wellenlängenabstand verwendet, in welchem das Ausgangslicht frei von einer Wellenlängenstreuung durch die optische Faser ist, jedoch einen großen Verlust aufweist. Da andererseits ein Halbleiter-Laser mit verteilter Rückkopplung, der auch bei einer Hochgeschwindigkeits- Modulation bei einer einzigen Wellenlänge arbeitet, für den Einfluß der Wellenlängen-Dispersion unempfindlich ist, ist dieser nun intensiv für die Verwendung im 1,5 µm-Band entwickelt worden, in welchem der Verlust des Ausgangslichtes gering ist. Es hat sich aber gezeigt, daß bei einer Modulationsgeschwindigkeit oberhalb 1 Gb/s die Spektralbreite des Ausgangslichtes aufgrund seiner Frequenzmodulation durch die Änderung der injizierten Trägerdichte auch dann ansteigt, wenn der Laser bei einer einzigen Wellenlänge schwingt, was zu dem Problem führt, daß der Einfluß der Dispersion nicht vernachlässigbar ist.

Infolgedessen ist ein "Zwitschern" der Schwingungswellenlänge oder die resultierende Erhöhung der Spektralbreite während der Hochgeschwindigkeits-Modulation unvermeidbar, solange der Halbleiter-Laser einer direkten Modulation unterworfen wird. In diesem Sinne ist die Fremdmodulationstechnik als vielversprechend angesehen worden, welche es dem Halbleiter-Laser ermöglicht, bei einer einzigen Wellenlänge im stetigen Zustand zu arbeiten und das Ausgangslicht außerhalb des Oszillators zu modulieren. Bei der Fremdmodulationstechnik kann in einem Idealfall, in welchem die statische Spektralbreite (≦10 MHz) durch die Breite des Modulationsbandes (∼GHz) allein zunimmt, kann die Zunahme in der Spektralbreite herab bis zu etwa 1/10 derjenigen (1 bis 3 Å) im Falle der direkten Modulation reduziert werden.

Als solche sind ein übliches Wellenleiter-Optisches Fremdmodulationselement, ein Richtungskoppler-Typ und Mach-Zehner- Interferometer-Typ Strukturen, welche ferroelektrisches Material verwenden, im wesentlichen aufsehenerregend im Sinne des Modulationsbandes und des Löschungsverhältnisses. Diese Modulatoren sind aber nachteilig insofern, als sie nicht mit dem Halbleiter-Laser integriert werden können, daß ihre Herstellung eine gleichförmige und genaue Steuerung der Abmessungen des Wellenleiters erfordert, da sie bei Änderung ihrer Phasengeschwindigkeit eine Intensitätsmodulation ausführen und daß, da die Änderungsgröße in der Phasengeschwindigkeit pro Längeneinheit gering ist, die Vorrichtungslänge mehrere Millimeter bis mehrere Zentimeter beträgt, um so eine gewünschte Änderungsgröße in dem Phasenparameter zu erhalten, was zu einer großen Einfügungsdämpfung führt.

Um solche Nachteile zu vermeiden, ist ein optischer Elektroabsorptions- Modulator vorgeschlagen, welcher ein Halbleitermaterial verwendet, so daß durch Anwendung eines Elektroabsorptionseffektes, der mit ferroelektrischem Material nicht erreichbar ist, ein elektrisches Feld durch eine äußere Spannung auf die optische Wellenleiterschicht aufgebracht wird, um deren Absorptionskoeffizienten zu ändern, wodurch die Lichtintensität moduliert wird. Dieser optische Modulator kann mit niedriger Spannung betrieben werden, er besitzt eine geringe Länge, ist leicht und schnell herzustellen, und er zieht nun die Aufmerksamkeit als ein optisches Modulationselement auf sich, das mit dem Laser integriert werden kann. Es ist kürzlich aber darauf hingewiesen worden, daß in dem Absorptions-Modulator sich der Absorptionskoeffizient und der Brechungsindex seiner optischen Wellenleiterschicht beide sich mit dem aufgebrachten elektrischen Feld ändern und daß die Intensitätsmodulation von einer Phasenmodulation begleitet ist, was zu dem Ergebnis führt, daß während der Hochgeschwindigkeitsmodulation die Spektralbreite wie im Falle der direkten Modulation des Lasers zunimmt (Koyama and Iga, Electronics Letters, Vol. 21, Seiten 1065-1066, Nr. 1985).

Wie oben beschrieben, verbreitert der bekannte äußere optische Halbleitermodulator unvermeidlich die Spektralbreite seines Ausgangslichtes, und er besitzt deshalb den Nachteil, daß er nicht in einem optischen Nachrichtenübertragungssystem mit hoher Kapazität und hoher Geschwindigkeit verwendet werden kann.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Lösung der obenerwähnten Nachteile des Standes der Technik dar. Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines optischen Halbleiter-Fremdmodulators, welcher die Verringerung der Spektralbreite während einer Hochgeschwindigkeitsmodulation ermöglicht und der gleichzeitig Vorteile des optischen Halbleitermodulators aufweist, wie eine große Modulationsbandbreite, ein großes Löschungsverhältnis und eine geringe Vorrichtungslänge.

Die vorliegende Erfindung besteht darin, daß die Polarisationsart des einfallenden Lichtes, die Kristallebene des Substrats (die Richtung der Aufbringung eines elektrischen Feldes), der Bandabstand der optischen Wellenleiterschicht und die Ausbreitungsrichtung des Lichtes so bestimmt sind, daß bei Änderungen in den reellen und imginären Teilen des Brechungsindex der optischen Wellenleiterschicht, die durch die Aufbringung des elektrischen Feldes auf den optischen Halbleiter-Fremdmodulator hervorgerufen werden, die Änderung im reellen Teil des Brechungsindexes auf im wesentlichen Null reduziert werden kann.

Der Brechungsindex einer Halbleiterverbindungsschicht kann in der Form eines komplexen Brechungsindexes ausgedrückt werden (n _r + jn _i), der zusammengesetzt ist aus einem reellen Teil n _r und einem imaginären Teil n _i. Der reelle Teil n _r des Brechungsindexes (im folgenden als "Brechungsindex n _r" bezeichnet) und der imaginäre Teil n _i des Brechungsindexes (im folgenden als "Brechungsindex n _i" bezeichnet) in dem komplexen Brechungsindex betreffen jeweils die Phase bzw. den Absorptionskoeffizienten (der Intensität) des Lichts.

Üblicherweise bewirkt die Aufbringung eines elektrischen Feldes auf die Halbleiterverbindungsschicht eine Änderung beider Brechungsindizes n _r und n _i. Wenn beispielsweise nur der Brechungsindex n _r verändert wird, ist die Phasenmodulation des Lichtes möglich, das seine Intensität konstant hält, und wenn nur der Brechungsindex n _i verändert wird, ist die Intensitätsmodulation von Licht möglich, welches seine Phasenposition konstant hält.

Im Hinblick auf die obigen Ausführungen haben die Erfinder erkannt, daß ein optischer Halbleiter-Fremdmodulator einer Konstruktion, in welcher die Aufbringung eines elektrischen Feldes eine scheinbare Änderung allein des Brechungsindexes n _i bewirken würde, es möglich machen würde, eine Intensitätsmodulation zu erreichen, die frei vom Einfluß der Phasenmodulation des Lichtes ist.

Wenn angenommen wird, daß Änderungen in den Brechungsindizes n _r und n _i durch Aufbringung eines elektrischen Feldes dargestellt werden durch Δ n _r bzw. Δ n _i, wird das Verhältnis α (im folgenden als "Parameter α" bezeichnet) zwischen den jeweiligen Änderungen folgendermaßen ausgedrückt:

Beispielsweise wird die Spektralbreite W ₀ in einem Idealfall, in welchem der Parameter α Null ist (d. h. Δ n _r = 0) durch die Intensitätsmodulation nur für die Seitenbandkomponenten ein Minimum. Im Falle eines Gauß'schen Lichtimpulses, der zunehmend beeinflußt ist durch sich aus der Phasenmodulation ergebende Seitenbandkomponenten, wenn der Parameter α zunimmt, wird die Spektralbreite W zu

D. h., es könnte die Spektralbreite durch Herabsetzung der Änderung Δ n _r in dem Brechungsindex n _r auf Null herabgesetzt werden.

Es wird nunmehr das Prinzip der Herabsetzung der Änderung in dem Brechungsindex n _r beschrieben, das durch die Anwendung eines elektrischen Feldes bewirkt wird.

Die Änderung Δ n _r im reellen Teil n _r des Brechungsindexes kann in eine Brechungsindex-Änderung Δ n _b aufgrund des Elektroabsorptionseffektes, hervorgerufen durch einen Zwischenband-Übergang und eine Brechungsindex-Änderung Δ n _e aufgrund eines primären elektrooptischen Effektes (aufgeteilt werden). Die Brechungsindex-Änderung Δ n _e hängt von der Art der Polarisation des einfallenden Lichtes, der Ausbreitungsrichtung des Lichtes in der optischen Wellenleiterschicht, der Kristallebene des Substrats und der Aufbringungsrichtung des elektrischen Feldes ab.

Beispielsweise in einem Falle, in welchem ein elektrisches Feld in Richtung parallel zu ≦ωτ100≦λτ an eine optische Wellenleiterschicht aufgebracht wird, in welcher die Ausbreitungsrichtung von Licht parallel zu ≦ωτ011≦λτ oder ≦ωτ01≦λτ verläuft, die auf einem Substrat gebildet ist, das aus einem Zinkblenden-Typ-Kristall besteht (der eine Struktur mit einem Ikosihexaeder aufweist und auch Kristall der m-Symmetriegruppe genannt wird), der die (100) Kristallebene besitzt, wird die Brechungsindex-Änderung Δ n _e durch den elektrooptischen Effekt im wesentlichen Null, wenn das einfallende Licht sich in dem TM-Modus befindet. Wenn sich das einfallende Licht in dem TE-Modus befindet und wenn die Richtung seiner Ausbreitung in der optischen Wellenleiterschicht parallel zu ≦ωτ00≦λτ verläuft, nimmt die Änderung Δ n _e einen positiven Wert an. Umgekehrt, wenn die Ausbreitungsrichtung von Licht in der optischen Wellenleiterschicht parallel zu ≦ωτ011≦λτ verläuft, nimmt die Änderung Δ n _e einen negativen Wert an.

Andererseits basiert die Brechungsindex-Änderung Δ _b durch den Elektroabsorptionseffekt auf einem Zwischenband-Übergang und nimmt deshalb im allgemeinen einen positiven Wert an, wenn die Differenz, Δ Eg ( = Eg - h ν), zwischen der verbotenen Bandabstand-Energie Eg der optischen Wellenleiterschicht und der Energie h ν des einfallenden Lichts größer ist als 20 meV und wenn die elektrische Feldintensität kleiner ist als 150 kv/cm. Umgekehrt, wenn eine Differenz Δ Eg ( = Eg - h ν) zwischen der Bandabstand-Energie Eg der optischen Wellenleiterschicht und der Energie h ν des einfallenden Lichts kleiner ist als 20 meV und wenn die Feldintensität größer ist als 150 kv/cm, nimmt diese Änderung einen negativen Wert an. Deshalb wird gemäß der Erfindung die Art der Polarisation des einfallenden Lichtes, die Richtung seiner Ausbreitung in der optischen Wellenleiterschicht, der Bandabstand der Wellenleiterschicht, die Kristallebene des Substrates und die Richtung der Aufbringung des elektrischen Feldes so ausgewählt, daß die Brechungsindex- Änderung Δ n _b durch den Elektroabsorptionseffekt, die einen positiven (oder negativen) Wert annimmt, und die Brechungsindexänderung Δ n _e durch den primären elektrooptischen Effekt, welcher einen negativen (oder positiven) Wert annimmt, durcheinander ausgelöscht, wodurch die Brechungsindexänderung Δ n _r im wesentlichen auf Null reduziert wird. Da mit einer solchen Anordnung die Aufbringung des elektrischen Feldes nur eine scheinbare Änderung des Brechungsindexes n _i bewirkt, kann das Ausgangslicht ohne Vergrößerung seiner Spektralbreite moduliert werden.

Die bevorzugte Ausführung der Erfindung wird im folgenden im einzelnen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben, welche eine perspektivische Ansicht einer Ausführung des erfindungsgemäßen optischen Halbleiter-Fremdmodulators zeigt, und zwar anhand einer Grundstruktur dieses Modulators.

Mit 1 ist ein n⁺-InP-Substrat gezeigt, dessen Kristallebene (100) ist. 2 ist eine optische n^--InGaAsP-Wellenleiterschicht, deren Bandabstandsenergie um etwa 20 bis 70 meV höher ist als die Photonenenergie (h ν). 3 ist eine obere n^--InP-Überzugsschicht. 4 ist eine p⁺-InP-Schicht. 5 ist eine n-Seitenelektrode, 6 eine p-Seitenelektrode und 7 ist TE-polarisiertes einfallendes Licht, welches in der Richtung parallel zur ≦ωτ011≦λτ Richtung wandert. Diese Ausführung verwendet eine mit einem Streifen versehene Struktur zur seitlichen Begrenzung des Lichtes in der Wellenleiterschicht. In einem Fall beispielsweise, in welchem die Wellenlänge des einfallenden Lichtes 1,55 µm ist, beträgt die Trägerkonzentration der optischen Wellenleiterschicht 2, deren Bandabstandsenergie etwa 50 meV höher als diejenige des einfallenden Lichts ist, 1 × 10¹⁵ cm^-3. Die Dicke der Wellenleiterschicht beträgt 0,3 µm. Die Trägerkonzentration der oberen Überzugsschicht 3 beträgt 1 × 10¹⁵ cm^-3, und es ist ihre Dicke 0,1 µm. Eine Spannung von 2 V ist über die Elektroden 5 und 6 angelegt. Der Parameter α(Δ n _r/Δ n-_i) wird etwa 0,1, und es ist der Anstieg in der Spektralbreite durch die Phasenmodulation im wesentlichen vernachlässigbar. Ferner bewirkt die Spannungsanlegung von 2 V eine mittlere elektrische Feldstärke von 77 KV/cm, und da die effektive elektrische Feldstärke 46 KV/mc beträgt, wobei die optoelektrische Feldverteilung berücksichtigt ist, und da der Absorptionskoeffizient 72 cm^-1 beträgt, kann die Vorrichtungslänge zur Erzielung eines Auslöschverhältnisses von 20 dB 640 µm oder dergleichen sein. Wenn ferner der mit einem Streifen versehene Teil der optischen Wellenleiterschicht 2 3 µm breit gemacht wird, beträgt die elektrostatische Kapazität der Wellenleiterschicht 0,6 pF, was eine Hochgeschwindigkeitsmodulation über eine Modulationsfrequenzbandbreite von mehr als 10 GHz ermöglicht.

Während oben die vorliegende Erfindung in Verbindung mit dem Fall der Verwendung von Materialien der InP-Serien beschrieben worden ist, ist die Erfindung auch anwendbar auf andere Halbleiter-Verbindungsschichten der GaAs-Serien und dergleichen, solange sie die Zinkblenden-Kristallstruktur haben. Die optische Wellenleiterschicht kann auch eine MQW-Struktur haben, und sie ist nicht speziell begrenzt auf den mit einem Streifen versehenen Typ, sondern sie kann auch versenkt sein oder ein rippenförmiger optischer Wellenleiter sein.

Die folgenden Tabellen 1 bis 4 zeigen die Beziehung zwischen der Kristallebene normal zur Richtung eines auf das Substrat aufgebrachten elektrischen Feldes und der Ausbreitungsrichtung des Lichtes und der Art der Polarisation des einfallenden Lichtes für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 1 zeigt typische Beispiele, die nach der Erfindung verwendet werden können. Tabelle 2 zeigt Fälle, die äquivalent zur ≦ωτ100≦λτ Kristallebene des Substrats in Tabelle 1 sind. In dem Zinkblenden-Kristall befindet sich ein Ikosihexaeder, wie es oben erwähnt ist, und dies zeigt an, daß die Verhältnisse, wie sie in Tabelle 1 gezeigt sind, auch anwendbar sind auf den Fall eines Substrats, das eine Kristallebene äquivalent zu der (100) Ebene hat, d. h., die Kristallebene mit einer dreifachen Rotationssymmetrie entlang der ≦ωτ111≦λτ Kristallachse. In gleicher Weise ist die Beziehung für die (111) Kristallebene in Tabelle 1 anwendbar auf den Fall eines Substrats mit einer Kristallebene, die eine vierfache Rotationssymmetrie entlang der ≦ωτ100≦λτ Kristallachse besitzt.

Tabelle 3 zeigt die entsprechenden Verhältnisse in einem Fall, in welchem der reelle Teil des Brechungsindexes scheinbar auf Null reduziert ist, und zwar durch Verringerung der Brechungsindexänderung aufgrund des elektrischen Absorptionseffektes und Vergrößerung der Brechungsindexänderung aufgrund des elektrooptischen Effektes, wenn die aufgebrachte Spannung oberhalb 150 KV/cm beträgt und eine Differenz Δ Eg zwischen der Bandabstand-Energie der optischen Wellenleiterschicht und der Energie des einfallenden Lichts kleiner ist als 20 meV. Tabelle 4 zeigt im einzelnen die Bedingungen für Substrate mit Kristallebenen äquivalent zu der (100) Ebene in Tabelle 3.

Im übrigen ist die vorliegende Erfindung auch anwendbar auf Substrate mit Kristallebenen äquivalent zur (111) Richtung.

Wie oben beschrieben, verhindert der optische Halbleiter- Fremdmodulator nach der Erfindung eine Vergrößerung der Spektralbreite unter dem Einfluß der Phasenmodulation, und er ist deshalb in der Lage, die Intensitätsmodulation von Licht zu erreichen, während die Spektralbreite kleingehalten wird, und zwar durch Bestimmung des Bandabstandes der optischen Wellenleiterschicht 2, der Kristallebene des Substrats senkrecht zur Richtung des angelegten elektrischen Feldes und der Art der Polarisation und der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts. Infolgedessen ist die vorliegende Erfindung anwendbar auch auf ein optisches Übertragungssystem großer Kapazität und hoher Geschwindigkeit, und sie ist somit von großem praktischen Nutzen.

Claims

1. Optischer Halbleiter-Fremdmodulator, bei welchem auf einem Substrat eine optische Wellenleiterschicht für den Durchlaß von einfallendem Licht, eine Überzugsschicht mit einem Brechungsindex, der kleiner ist als derjenige der optischen Wellenleiterschicht, und Elektroden vorgesehen sind, und bei welchem der Absorptionskoeffizient der optischen Wellenleiterschicht durch die Aufbringung eines elektrischen Feldes über den Elektroden verändert wird, um die Intensität des einfallenden Lichts zu ändern, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Zinkblenden-Kristallstruktur besitzt, daß die Kristallrichtung des Substrats parallel zur Richtung des aufgebrachten elektrischen Feldes, die Polarisationsart, die Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts und der Bandabstand der optischen Wellenleiterschicht so bestimmt sind, daß Änderungen im Brechungsindex des optischen Wellenleiters durch einen Elektroabsorptionseffekt und einen elektooptischen Effekt sich gegenseitig aufheben, wodurch die Änderung im reellen Teil des Brechungsindexes der optischen Wellenleiterschicht auf im wesentlichen Null reduziert wird.

2. Optischer Halbleiter-Fremdmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallebene des Substrats (100) ist.

3. Optischer Halbleiter-Fremdmodulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsrichtung des Lichtes parallel zu ≦ωτ011≦λτ verläuft und daß die Polarisationsart des einfallenden Lichts vom TE-Typ ist.

4. Optischer Halbleiter-Fremdmodulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsrichtung des Lichts parallel zu ≦ωτ01≦λτ verläuft und daß die Polarisationsart des einfallenden Lichts vom TE-Typ ist.

5. Optischer Halbleiter-Fremdmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallebene des Substrats (111) ist.

6. Optischer Halbleiter-Fremdmodulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsrichtung des Lichtes senkrecht zu ≦ωτ111≦λτ verläuft und daß die Polarisationsart des einfallenden Lichts vom TE-Typ ist.

7. Optischer Halbleiter-Fremdmodulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsrichtung des Lichts senkrecht zu ≦ωτ111≦λτ verläuft und daß die Polarisationsart des einfallenden Lichts vom TM-Typ ist.