JP2000028975A - アナログ用途のための変調器 - Google Patents
アナログ用途のための変調器Info
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
- H01S5/0265—Intensity modulators
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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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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、アナログ用途のための変調器を提
供する。 【解決手段】 本発明においては、半導体物質の導波領
域から構成された光変調器において、前記導波領域がバ
ンドギャップ波長を有し、該波長が、前記変調器を介し
た光の伝搬経路（Ｚ）および前記光伝搬経路に垂直な経
路（Ｘ）から選択された方向に沿って変化することを特
徴とする光変調器が提供される。
供する。 【解決手段】 本発明においては、半導体物質の導波領
域から構成された光変調器において、前記導波領域がバ
ンドギャップ波長を有し、該波長が、前記変調器を介し
た光の伝搬経路（Ｚ）および前記光伝搬経路に垂直な経
路（Ｘ）から選択された方向に沿って変化することを特
徴とする光変調器が提供される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気吸収変調レー
ザ（ＥＭＬ）に含まれるような変調器に関し、特に、ア
ナログ用途のためのかかる変調器を製造する構造および
方法に関する。
ザ（ＥＭＬ）に含まれるような変調器に関し、特に、ア
ナログ用途のためのかかる変調器を製造する構造および
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】電
気吸収変調レーザ（ＥＭＬ）は、主にデジタル用途の技
術で公知である。かかるレーザは、典型的に、ＩｎＰの
本体に形成された多重量子井戸レーザおよび変調器を含
む（例えば、Ｊｏｈｎｓｏｎ等の「Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅ
ｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐ
ｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ（光速集積電気吸収変
調器）」ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、第３０３
８号、３０ないし３８ページ（１９９７年２月）、およ
びＡｏｋｉ等の「Ｎｏｖｅｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＭＱ
Ｗ Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｉｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌ
ａｔｏｒ ＩＤＦＢ Ｌａｓｅｒ…（新規構造ＭＱＷ電気
吸収変調器ＩＤＦＢレーザ）」Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ、第２７号、２１３８ないし２１４０
ページ（１９９１年１１月）を参照のこと）。かかるレ
ーザの伝達関数は、変調器間の電圧の関数としての光出
力であり、高度に非線形である傾向がある。特に、急峻
な伝達関数を呈すると、デジタル用途に適している。し
かしながら、アナログ用途は、通常、線形の伝達関数を
必要とする。
気吸収変調レーザ（ＥＭＬ）は、主にデジタル用途の技
術で公知である。かかるレーザは、典型的に、ＩｎＰの
本体に形成された多重量子井戸レーザおよび変調器を含
む（例えば、Ｊｏｈｎｓｏｎ等の「Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅ
ｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐ
ｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ（光速集積電気吸収変
調器）」ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、第３０３
８号、３０ないし３８ページ（１９９７年２月）、およ
びＡｏｋｉ等の「Ｎｏｖｅｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＭＱ
Ｗ Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｉｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌ
ａｔｏｒ ＩＤＦＢ Ｌａｓｅｒ…（新規構造ＭＱＷ電気
吸収変調器ＩＤＦＢレーザ）」Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ、第２７号、２１３８ないし２１４０
ページ（１９９１年１１月）を参照のこと）。かかるレ
ーザの伝達関数は、変調器間の電圧の関数としての光出
力であり、高度に非線形である傾向がある。特に、急峻
な伝達関数を呈すると、デジタル用途に適している。し
かしながら、アナログ用途は、通常、線形の伝達関数を
必要とする。
【０００３】より線形の伝達関数を発生するために、レ
ーザに対する入力ＲＦ信号に先行ひずませを与えること
が提案されている。この解決策は、費用が高く、しかも
複雑である傾向がある。従って、外部回路の必要性な
く、十分に線形の伝達関数を呈する変調器を提供するこ
とが望ましい。
ーザに対する入力ＲＦ信号に先行ひずませを与えること
が提案されている。この解決策は、費用が高く、しかも
複雑である傾向がある。従って、外部回路の必要性な
く、十分に線形の伝達関数を呈する変調器を提供するこ
とが望ましい。
【０００４】１つの態様において、本発明は、変調器を
介した光の伝搬経路および光伝搬経路に垂直な経路から
選択された方向に沿って徐々に変化するバンドギャップ
を有する半導体物質の導波領域を含む変調器である。別
の態様によれば、本発明は、基板上に形成されたレーザ
および変調器を含むと共に半導体領域の導波領域を有す
る電気吸収変調レーザであり、変調器を規定する領域部
分は、変調器を介した光伝搬経路および光伝搬経路に垂
直な経路から選択された方向に沿って徐々に変化するバ
ンドギャップを有する。更に別の態様によれば、本発明
は、基板上に半導体物質の層を選択的に堆積させること
を含む変調器の形成方法であり、マスクを用いて成長領
域を規定し、このマスクの幅は、変調器を介した光伝搬
経路および光伝搬経路に垂直な経路から選択された方向
において変化する。
介した光の伝搬経路および光伝搬経路に垂直な経路から
選択された方向に沿って徐々に変化するバンドギャップ
を有する半導体物質の導波領域を含む変調器である。別
の態様によれば、本発明は、基板上に形成されたレーザ
および変調器を含むと共に半導体領域の導波領域を有す
る電気吸収変調レーザであり、変調器を規定する領域部
分は、変調器を介した光伝搬経路および光伝搬経路に垂
直な経路から選択された方向に沿って徐々に変化するバ
ンドギャップを有する。更に別の態様によれば、本発明
は、基板上に半導体物質の層を選択的に堆積させること
を含む変調器の形成方法であり、マスクを用いて成長領
域を規定し、このマスクの幅は、変調器を介した光伝搬
経路および光伝搬経路に垂直な経路から選択された方向
において変化する。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明のこれらおよび他の特徴
を、以下の説明において詳細に記述する。図１および図
２は、断面図および平面図で、典型的な電気吸収変調
（ＥＭＬ）レーザ１０を示し、これは、本発明の実施形
態に従って製造することができる。このデバイスは、例
えばＩｎＰとすることができる基板１１の上に形成され
ている。領域１２および１３は、それぞれデバイス１０
のレーザ部分および変調部分を構成し、典型的に化学蒸
着によって、後に説明する複数の半導体層を堆積するこ
とによって形成される。具体的には、基板１１の上に、
多重量子井戸導波領域１４が形成されている。当技術分
野で公知のように、この領域はＩｎＧａＡｓＰ等の複数
の層から成り、これらの領域にバイアスをかけた場合、
領域１２は発光するようにそのバンドギャップを選択
し、領域１３は光を吸収するようにそのバンドギャップ
を選択する。レーザ領域１２と変調領域１３との間に遷
移領域２０が形成されている。活性領域１４の上に、Ｉ
ｎＰ等の少なくとも１つの別の半導体層１５を堆積す
る。バイアスをかけるために、層１５の上面上に、レー
ザ領域１２および変調領域１３上に電極１６および１７
をそれぞれ堆積する。基板１１の下面に、更に別の電極
１８を堆積する。（上面図では、例示の目的のために、
これらの電極を省略していることを注記しておく。）
を、以下の説明において詳細に記述する。図１および図
２は、断面図および平面図で、典型的な電気吸収変調
（ＥＭＬ）レーザ１０を示し、これは、本発明の実施形
態に従って製造することができる。このデバイスは、例
えばＩｎＰとすることができる基板１１の上に形成され
ている。領域１２および１３は、それぞれデバイス１０
のレーザ部分および変調部分を構成し、典型的に化学蒸
着によって、後に説明する複数の半導体層を堆積するこ
とによって形成される。具体的には、基板１１の上に、
多重量子井戸導波領域１４が形成されている。当技術分
野で公知のように、この領域はＩｎＧａＡｓＰ等の複数
の層から成り、これらの領域にバイアスをかけた場合、
領域１２は発光するようにそのバンドギャップを選択
し、領域１３は光を吸収するようにそのバンドギャップ
を選択する。レーザ領域１２と変調領域１３との間に遷
移領域２０が形成されている。活性領域１４の上に、Ｉ
ｎＰ等の少なくとも１つの別の半導体層１５を堆積す
る。バイアスをかけるために、層１５の上面上に、レー
ザ領域１２および変調領域１３上に電極１６および１７
をそれぞれ堆積する。基板１１の下面に、更に別の電極
１８を堆積する。（上面図では、例示の目的のために、
これらの電極を省略していることを注記しておく。）
【０００６】典型的なＥＭＬレーザは、変調領域１３に
印可する電圧の関数としての光出力である伝達関数を有
する。これを図５の曲線５０として示す。最大光出力
（ＯＮ状態）と最小光出力（ＯＦＦ状態）との間に急峻
な遷移があることを注記しておく。しかしながら、アナ
ログ用途では、曲線５１として示す伝達関数の方が望ま
しい。特に、この曲線は、最大光（ＯＮ状態）と最小光
（ＯＦＦ状態）との間に線形部分を示し、その傾斜は、
デバイスの動作電圧ΔＶにわたって一定して約１パーセ
ント内である。望ましくは、この傾斜は、１ないし５ｄ
Ｂ／ボルトの範囲内である。典型的に、ΔＶは０．５ボ
ルト以下である。
印可する電圧の関数としての光出力である伝達関数を有
する。これを図５の曲線５０として示す。最大光出力
（ＯＮ状態）と最小光出力（ＯＦＦ状態）との間に急峻
な遷移があることを注記しておく。しかしながら、アナ
ログ用途では、曲線５１として示す伝達関数の方が望ま
しい。特に、この曲線は、最大光（ＯＮ状態）と最小光
（ＯＦＦ状態）との間に線形部分を示し、その傾斜は、
デバイスの動作電圧ΔＶにわたって一定して約１パーセ
ント内である。望ましくは、この傾斜は、１ないし５ｄ
Ｂ／ボルトの範囲内である。典型的に、ΔＶは０．５ボ
ルト以下である。
【０００７】本発明の好適な機構に従って、かかる伝達
関数を、図４に示すようなバンドギャップ分布によって
達成可能である。図４は、図１および２のデバイスにつ
いて、光の伝搬方向（Ｚ方向）に沿った距離の関数とし
てのバンドギャップ波長を示す。バンドギャップは、レ
ーザ領域１２では一定のままであり、レーザ領域と変調
領域との間の遷移領域２０で低減し始めることを注記し
ておく。変調領域１３では、バンドギャップは徐々に変
化する。これは、高い値、典型的に１．５５ないし１．
６０μｍで開始し、基本的に線形に、低い値、典型的に
１．５０ないし１．５５μｍに低下する。好ましくは、
バンドギャップ曲線の傾斜は、１０ｎｍ／ｖないし３０
ｎｍ／ｖの範囲内である。
関数を、図４に示すようなバンドギャップ分布によって
達成可能である。図４は、図１および２のデバイスにつ
いて、光の伝搬方向（Ｚ方向）に沿った距離の関数とし
てのバンドギャップ波長を示す。バンドギャップは、レ
ーザ領域１２では一定のままであり、レーザ領域と変調
領域との間の遷移領域２０で低減し始めることを注記し
ておく。変調領域１３では、バンドギャップは徐々に変
化する。これは、高い値、典型的に１．５５ないし１．
６０μｍで開始し、基本的に線形に、低い値、典型的に
１．５０ないし１．５５μｍに低下する。好ましくは、
バンドギャップ曲線の傾斜は、１０ｎｍ／ｖないし３０
ｎｍ／ｖの範囲内である。
【０００８】図３に示すような本発明の方法の態様の１
実施形態に従って、所望のバンドギャップの漸進的な変
化を達成可能である。図示のように、半導体層１４およ
び１５は、レーザ領域１２および変調領域１３を構成
し、セグメント３０ないし３３を含むパターンに形成さ
れたマスク層を用いて形成される。この例では、マスク
は二酸化珪素であり、標準的なフォトリソグラフィによ
って規定する。しかしながら、他の種類のマスクも使用
可能である。層１４は、マスクによって露出する基板の
区域上に、標準的な化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって堆
積する。
実施形態に従って、所望のバンドギャップの漸進的な変
化を達成可能である。図示のように、半導体層１４およ
び１５は、レーザ領域１２および変調領域１３を構成
し、セグメント３０ないし３３を含むパターンに形成さ
れたマスク層を用いて形成される。この例では、マスク
は二酸化珪素であり、標準的なフォトリソグラフィによ
って規定する。しかしながら、他の種類のマスクも使用
可能である。層１４は、マスクによって露出する基板の
区域上に、標準的な化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって堆
積する。
【０００９】レーザ領域１２を規定するセグメント３０
および３１は、領域全体にわたって一定の幅Ｗを有する
ことを注記しておく。変調領域１３を規定するセグメン
ト３２および３３は、セグメント３０および３１よりも
小さい幅（Ｗ’）で開始し、光の伝搬方向（Ｚ方向）に
沿って幅が小さくなっていく。蒸着において、マスク・
セグメントに投じる堆積対象層の個々の成分（この例で
はＩｎ、Ｐ、ＧａおよびＡｓ）は、基板の露出部分に移
動する傾向がある。このため、セグメント間のギャップ
ｇが一定であっても、マスクによる露出が少ない基板の
区域（領域１２）に形成された半導体層は、露出が多い
区域（領域１３）よりも成長速度が高い。バンドギャッ
プは、堆積対象の層の成長速度の関数であるので、変調
器におけるバンドギャップ波長は、マスク・セグメント
の幅が最大である高い値から、マスク・セグメントの幅
が最小である低い値まで、徐々に変化する。
および３１は、領域全体にわたって一定の幅Ｗを有する
ことを注記しておく。変調領域１３を規定するセグメン
ト３２および３３は、セグメント３０および３１よりも
小さい幅（Ｗ’）で開始し、光の伝搬方向（Ｚ方向）に
沿って幅が小さくなっていく。蒸着において、マスク・
セグメントに投じる堆積対象層の個々の成分（この例で
はＩｎ、Ｐ、ＧａおよびＡｓ）は、基板の露出部分に移
動する傾向がある。このため、セグメント間のギャップ
ｇが一定であっても、マスクによる露出が少ない基板の
区域（領域１２）に形成された半導体層は、露出が多い
区域（領域１３）よりも成長速度が高い。バンドギャッ
プは、堆積対象の層の成長速度の関数であるので、変調
器におけるバンドギャップ波長は、マスク・セグメント
の幅が最大である高い値から、マスク・セグメントの幅
が最小である低い値まで、徐々に変化する。
【００１０】具体的に言うと、図６は、２０μｍの一定
のギャップｇに対して、マスク・セグメント３２および
３３の幅Ｗ’の関数として領域１３における層１４のバ
ンドギャップ波長を示す。酸化物の幅を変化させて、光
の伝搬方向に沿ったバンドギャップの漸進的な変化を達
成可能であることは明らかである。この例では、幅W’
は、約４５μｍの値で開始し、約０μｍの値まで漸減し
て、図４のバンドギャップの漸進的な変化を達成する。
バンドギャップ波長は、変調領域において、少なくとも
２０ｎｍだけ変化することが好ましい。酸化物の幅は、
好ましくは少なくとも２μｍ、最も好ましくは少なくと
も１０μｍだけ変化するものとする。
のギャップｇに対して、マスク・セグメント３２および
３３の幅Ｗ’の関数として領域１３における層１４のバ
ンドギャップ波長を示す。酸化物の幅を変化させて、光
の伝搬方向に沿ったバンドギャップの漸進的な変化を達
成可能であることは明らかである。この例では、幅W’
は、約４５μｍの値で開始し、約０μｍの値まで漸減し
て、図４のバンドギャップの漸進的な変化を達成する。
バンドギャップ波長は、変調領域において、少なくとも
２０ｎｍだけ変化することが好ましい。酸化物の幅は、
好ましくは少なくとも２μｍ、最も好ましくは少なくと
も１０μｍだけ変化するものとする。
【００１１】当業者には、記載した本発明の様々な変更
が明らかであろう。例えば、図示したデバイスはレーザ
および変調器の組み合わせであるが、本発明は、個別の
変調器にも利用可能である。更に、バンドギャップは光
伝搬方向に沿って徐々に変化したが、その代わりに、ｘ
方向またはｙ方向のいずれかで光の伝搬に垂直な方向に
徐々に変化させることも可能である。なぜなら、変調領
域における電圧の関数としての光の相対的な吸収および
伝達は、いずれの場合にも影響を受けるからである。更
に、ｘ方向（図３参照）にバンドギャップを徐々に変化
させる場合、酸化物パッドの配置は、デバイスの光学軸
を中心に非対称とすれば良い。
が明らかであろう。例えば、図示したデバイスはレーザ
および変調器の組み合わせであるが、本発明は、個別の
変調器にも利用可能である。更に、バンドギャップは光
伝搬方向に沿って徐々に変化したが、その代わりに、ｘ
方向またはｙ方向のいずれかで光の伝搬に垂直な方向に
徐々に変化させることも可能である。なぜなら、変調領
域における電圧の関数としての光の相対的な吸収および
伝達は、いずれの場合にも影響を受けるからである。更
に、ｘ方向（図３参照）にバンドギャップを徐々に変化
させる場合、酸化物パッドの配置は、デバイスの光学軸
を中心に非対称とすれば良い。
【図１】本発明の実施形態による電気吸収変調レーザの
断面図である。
断面図である。
【図２】図１に示すレーザの平面図である。
【図３】本発明の１つの態様による、製造のある段階に
おける図２および３のレーザの平面図である。
おける図２および３のレーザの平面図である。
【図４】光の伝搬方向に沿った、図１および２のレーザ
のバンドギャップ波長の図である。
のバンドギャップ波長の図である。
【図５】従来技術のデバイスと比較した図１および２の
デバイスの電圧の関数としての光出力の図である。
デバイスの電圧の関数としての光出力の図である。
【図６】図１および２のデバイスを製造するために用い
るマスクの幅の関数としてのバンドギャップ波長の図で
ある。
るマスクの幅の関数としてのバンドギャップ波長の図で
ある。
フロントページの続き (72)発明者 レオナード ジャン−ピーター ケテルセ ン アメリカ合衆国 08809 ニュージャーシ ィ，クリントン，ヒル ホロー コート ８ (72)発明者 シャロン ケイ スプッツ アメリカ合衆国 07666 ニュージャーシ ィ，ティーネック，エッジモント プレイ ス 109
Claims (14)
- 【請求項１】 半導体物質の導波領域（１４）から構成
された光変調器（１３）において、前記導波領域がバン
ドギャップ波長を有し、該波長が、前記変調器を介した
光の伝搬経路（Ｚ）および前記光伝搬経路に垂直な経路
（Ｘ）から選択された方向に沿って変化することを特徴
とする光変調器。 - 【請求項２】 請求項１による変調器において、前記バ
ンドギャップ波長が、１．５５ないし１．６０μｍの範
囲内の最大値から１．５０ないし１．５５μｍの範囲内
の最小値まで変化することを特徴とする変調器。 - 【請求項３】 請求項１による変調器において、前記バ
ンドギャップ波長が、少なくとも２０ｎｍの量だけ変化
することを特徴とする変調器。 - 【請求項４】 請求項１による変調器において、前記変
調器は、最大値と最小値との間で１ないし５ｄＢ／ボル
トの範囲内の傾斜を有する伝達関数を呈することを特徴
とする変調器。 - 【請求項５】 請求項１による変調器において、前記半
導体物質がＩｎＧａＡｓＰから成ることを特徴とする変
調器。 - 【請求項６】 基板（１１）上に形成されたレーザ（１
２）および変調器（１３）を備え、半導体物質の導波領
域（１４）を含む電気吸収変調レーザ（１０）におい
て、前記変調器を規定する前記導波領域の部分がバンド
ギャップ波長を有し、該波長が、前記変調器を介した光
伝搬経路（Ｚ）および前記光伝搬経路に垂直な経路
（Ｘ）から選択された方向に沿って変化することを特徴
とする電気吸収変調レーザ。 - 【請求項７】 請求項６によるレーザにおいて、前記バ
ンドギャップ波長が、１．５５ないし１．６０μｍの範
囲内の最大値から１．５０ないし１．５５μｍの範囲内
の最小値まで変化することを特徴とするレーザ。 - 【請求項８】 請求項６によるレーザにおいて、前記バ
ンドギャップ波長が、少なくとも２０ｎｍの量だけ変化
することを特徴とするレーザ。 - 【請求項９】 請求項６によるレーザにおいて、前記変
調器は、最大値と最小値との間で１ないし５ｄＢ／ボル
トの範囲内の傾斜を有する伝達関数を呈することを特徴
とするレーザ。 - 【請求項１０】 請求項６によるレーザにおいて、前記
半導体物質がＩｎＧａＡｓＰから成ることを特徴とする
レーザ。 - 【請求項１１】 基板上に導波半導体物質（１４）の層
を選択的に成長させることを含み、マスク（３０ないし
３３）を用いて成長区域を規定する光変調器（１３）の
製造方法において、前記マスクの幅（Ｗ’）が、前記変
調器を介した光伝搬経路（Ｚ）および前記光伝搬経路に
垂直な経路（Ｘ）から選択された方向において変化する
ことを特徴とする方法。 - 【請求項１２】 請求項１１による方法において、前記
マスクの前記幅が少なくとも２μｍの量だけ変化するこ
とを特徴とする方法。 - 【請求項１３】 請求項１１による方法において、前記
層が蒸着によって成長することを特徴とする方法。 - 【請求項１４】 請求項１１による方法において、前記
マスクが二酸化珪素から成ることを特徴とする方法。
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