JP2000066156A - マッハツェンダ型光変調器 - Google Patents

マッハツェンダ型光変調器

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JP2000066156A
JP2000066156A JP10238702A JP23870298A JP2000066156A JP 2000066156 A JP2000066156 A JP 2000066156A JP 10238702 A JP10238702 A JP 10238702A JP 23870298 A JP23870298 A JP 23870298A JP 2000066156 A JP2000066156 A JP 2000066156A
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optical
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Kazuhisa Takagi
和久 高木
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な変調電圧の駆動回路を用いて、出力信
号光の強度変調を可能にしたマッハツェンダ型光変調器
を提供する。 【解決手段】 分岐した2つの光導波路を構成する夫々
のMQWのウエル層を、異なった膜厚又は異なった材料
から作製する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システムに
おいて、電気信号によりレーザ光の強度変調を行うマッ
ハツェンダ型光変調器に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のマッハツェンダ型光変調器は、例
えば、D.M.Adamsらが報告しているように(EL
ECTRONICS LETTERS 29th February 1996 Vol.32 No.5 p
485〜486)、入射したレーザ信号光を2つの光導波路に
分岐させて、分岐した各々の光導波路は、InGaAs
ウェルとInPバリアからなる多重量子井戸構造(以下
「MQW」という。)をクラッド層で挟んだ構造からな
る(外観構造は、図1と同じである)。そして、分岐し
た一方の光導波路のMQWに正の変調電圧を印加し、他
方のMQWに負の変調電圧を印加すると、分岐した夫々
の光導波路のMQWでは、量子閉じ込めシュタルク効果
により、互いに反対の方向に屈折率が変化する。即ち、
一方の光導波路では屈折率が大きくなり、他方の光導波
路では屈折率が小さくなることとなる。この結果、光導
波路を伝搬する信号光は、一方の光導波路では位相が進
み、他方の導波路では位相が遅れることとなり、これら
の信号光を合波させることにより、出力信号光の強度を
変調させることができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来のマッハツェンダ
型光変調器では、分岐した2つの光導波路を同じ構造の
光導波路から形成しているため、双方の光導波路の間で
位相を変えるためには、双方の光導波路に印加される変
調電圧を互いに逆位相となるようにする必要があり、変
調電圧の駆動回路が複雑化するという問題点があった。
そこで、本発明は、簡単な変調電圧の駆動回路を用い
て、出力信号光の強度変調を可能にしたマッハツェンダ
型光変調器を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】そこで、発明者は鋭意研
究の結果、分岐した2つの光導波路を構成する夫々のM
QWのウエル層を、異なった膜厚又は異なった材料から
作製することにより、双方の光導波路に同一の変調電圧
を印加した場合でも、夫々の光導波路で異なった位相変
調が可能となることを見出し、本発明を完成した。
【0005】即ち、本発明は、少なくとも信号光が入射
する入射側光導波路と、該入射側光導波路を分岐させて
接続された第1光導波路及び第2光導波路と、該第1光
導波路と、該第2光導波路との夫々に、電圧を印加する
ように接続された第1電極部及び第2電極部と、該第1
光導波路と、該第2光導波路とに、分岐して接続され、
信号光が出射する出射側光導波路とを基板上に備え、上
記電圧により上記信号光の強度変調を行うマッハツェン
ダ型光変調器であって、上記第1電極部と上記第2電極
部とに同一の変調電圧を印加することにより、上記第1
光導波路の屈折率を増加させ、上記第2光導波路の屈折
率を減少させて、上記出射側光導波路から出射される信
号光を変調することを特徴とするマッハツェンダ型光変
調器である。このように、第1電極部と第2電極部とに
同一の変調電圧を印加した場合に、第1光導波路の屈折
率が増加し、第2光導波路の屈折率が減少するように、
第1光導波路と第2光導波路とを形成することにより、
従来のマッハツェンダ型光変調器にように、第1電極部
と第2電極部とに異なった位相の変調電圧を印加するこ
となく、信号光の強度変調が可能となる。これにより、
マッハツェンダ型光変調器の変調電圧の駆動回路を簡略
化することが可能となる。
【0006】上記第1光導波路及び第2光導波路は、各
々少なくとも上記基板上に順次積層形成された第1クラ
ッド層と、多重量子井戸層と、第2クラッド層とからな
ることが好ましい。多重量子井戸の構造や材料を変える
ことにより、変調電圧に対する光導波路の屈折率の変化
率を任意に設定することが可能となるからである。
【0007】また、本発明は、上記第1光導波路の多重
量子井戸層のウエル層の厚さが、上記第2光導波路の多
重量子井戸層のウエル層の厚さより厚くなるように形成
されたことを特徴とするマッハツェンダ型光変調器でも
ある。このように、第1光導波路のMQWのウエル層の
厚さを、第2光導波路より厚くすることにより、双方の
光導波路に所定の変調電圧を印加した場合に、第1光導
波路では屈折率が増加し、第2光導波路では屈折率が減
少するようにすることができる。この結果、所定の変調
電圧を印加することにより第1光導波路では光信号の位
相が進み、第2光導波路では光信号の位相が遅れること
となり、出力信号の強度変調が可能となる。
【0008】また、本発明は、上記第1光導波路の多重
量子井戸層のウエル層の材料が、上記第2光導波路の多
重量子井戸層のウエル層の材料より、バンドギャップの
大きな材料からなるように選択されたことを特徴とする
マッハツェンダ型光変調器でもある。第1光導波路の多
重量子井戸層のウエル層の材料を、第2光導波路の多重
量子井戸層のウエル層の材料より、バンドギャップの大
きな材料を用いて形成することにより、ウエル層の膜厚
は同じであっても、所定の変調電圧が印加された場合
に、第1光導波路と第2光導波路との屈折率を異なるよ
うにすることができる。この結果、出力信号の強度変調
が可能となる。
【0009】
【発明の実施の形態】実施の形態1.本発明の実施の形
態1について、図1(a)(b)を参照しながら説明す
る。図1(a)は、本実施の形態にかかるマッハツェン
ダ型光変調器の斜視図であり、図1(b)は、図1
(a)のA部分の断面図である。図中、1はn−InP
基板、2はInGaAsウェル層とInGaAsPバリ
ア層からなるMQW構造、3はp−InPクラッド層
(約2μm)、4はp+−InGaAsコンタクト層、5
はSiO2絶縁膜、6はポリイシド層、7、8はTi/
Pt/Au電極、9、10はマッハツェンダ型干渉計を
構成する光導波路、11は入射側の光導波路、12は出
射側の光導波路である。
【0010】光導波路9、10を構成するMQW層は、
かかる光導波路9、10も同じ変調電圧を印加した場合
に、一方では屈折率が印加電圧の増加に伴い増加し、他
方では減少するように形成されている。即ち、かかる光
導波路9、10を備えたマッハツェンダ型光変調器で
は、2つの光導波路9、10のMQWに同相の変調電圧
を加えることにより、互いに逆符号の屈折率変化を得る
ことができる。かかるMQWの構造については、以下の
実施例で詳述する。従って、従来構造のマッハツェンダ
型光変調器と比較して、駆動回路で逆相信号を発生させ
る必要がなく、駆動回路の簡略化が可能となる。
【0011】尚、半導体MQW構造以外の他の構造の光
導波路を備えたマッハツェンダ型光変調器、例えば、ニ
オブ酸リチウム結晶を互いに結晶軸が逆方向になるよう
に接着し、夫々の結晶内に第1光導波路と、第2光導波
路と、電極とを設けた光変調器についても、同様に、2
つの光導波路に同相の変調電圧を加えることにより、互
いに逆符号の屈折率変化を得ることが可能である。
【0012】
【実施例】実施例1.本実施例1では、第1光導波路と
第2光導波路とのMQW構造を、ウエル層の厚さの異な
るMQWから形成することにより、本実施例にかかるマ
ッハツェンダ型光変調器を実現する。
【0013】図2は、ウエル数8のMQWを用いた光導
波路において、印加電圧を0Vから1.5Vに変化にさ
せた場合の、ウエル層の厚さ(Lz)と屈折率変化量
(dn/dv)との関係を示したものである。MQW
は、ウエル層をInP基板に格子整合するInGaAs
から、バリア層をλg=1.18μmの組成のInGa
AsPから形成した。又、使用する光信号の波長は、λ
DFB=1.58μmとした。
【0014】図2より、ウエル層の厚さ(Lz)が7.
8nmより薄いと、印加電圧の増加により屈折率(n)
は増加するが、ウエル層の厚さ(Lz)が7.8nmよ
り厚いと印加電圧の増加により屈折率は減少することと
なる。従って、マッハツェンダ型干渉計を構成する光導
波路の一方に、ウエル厚が7.8nmより厚いMQW構
造を用い、他方の光導波路に、ウエル厚が7.8nmよ
り薄いMQW構造を用いて、双方の光導波路に、1.5
Vのバイアスを印加を印加することにより、一方の光導
波路では信号光の位相が遅れ、他方の光導波路では信号
光の位相が進むこととなる。従って、かかる位相変調さ
れた2つの信号光を合波することにより、最終的にマッ
ハツェンダ型光変調器から出力される信号光の強度変調
を行うことが可能となる。
【0015】このように、2つの光導波路を構成するM
QWのウエル層の厚さを変えることにより印加された電
圧に対する屈折率の変化量を変えることができるため、
印加される電圧の大きさ等の素子の仕様に基づいて、ウ
エル層の厚さを設定することとなる。
【0016】尚、図2は、量子閉じ込めシュタルク効果
によるMQW構造の光吸収スペクトルの電界による変化
から、クラマース・クロニッヒの関係を計算した理論値
であって、現実に測定した実測値ではない。
【0017】次に、図3、4を参照しながら、本実施例
にかかるマッハツェンダ型光変調器の作製方法について
説明する。まず、図3(a)に示すように、n−InP
基板1上に、MQW構造2、p−InPクラッド層3、
+−InGaAsコンタクト層4を有機金属気相成長
法(以下「MOCVD法」という。)を用いて結晶成長
させる。MQWは、ウエル層をInGaAs、バリア層
をInGaAsPから形成する。
【0018】次に、図3(b)に示すように、マッハツ
ェンダ型干渉計を構成する2つの光導波路のうち、一方
を形成する領域をレジスト13で覆い、他方を形成する
領域をHCl等を用いたウエットエッチングにより基板
1まで除去する。
【0019】次に、図3(c)に示すように、工程
(b)で除去した領域に、MOCVD法等を用いてn−
InPバッファ層1’、MQW構造2’、p−InPク
ラッド層3’、p+−InGaAsコンタクト層4を順
次、結晶成長させる。ここで、MQW構造2と、MQW
層2’とは、ウエル層の厚さが異なるように作製され
る。
【0020】次に、図3(d)に示すように、SiO2
膜14をマスクに用いてエッチングすることにより、マ
ッハツェンダ型光導波路を構成するリッジ構造を形成す
る。
【0021】次に、図3(e)に示すように、全面にS
iO2絶縁膜5を蒸着する。続いて、電極コンタクト部
分15のSiO2絶縁膜5を写真製版技術とフッ酸を用
いた化学エッチングにより除去する。
【0022】次に、図4(f)に示すように、電極パッ
ドを形成する部分にポリイミド等の誘電体膜6を形成す
る。
【0023】次に、図4(g)に示すように、全面に、
Ti/Pt/Au層7蒸着した後、Auメッキ層7’を
パターン形成する。その後、Ti/Pt/Au層7をパ
ターン形成して、マッハツェンダ型干渉計を構成する2
つの光導波路が完成する。
【0024】尚、マッハツェンダ型干渉計を構成する2
つの光導波路部分以外の光導波路は、かかる2つの光導
波路を形成した後に、MOCVD法等を用いて、n−I
nPバッファ層、MQW構造、p−InPクラッド層を
基板1上に順次積層形成し、図1のような形状にエッチ
ングして作製する。かかる構造では、入射側の光導波路
から入射した信号光が、マッハツェンダ型干渉計を構成
する2つの光導波路を夫々通過した後に合波され、出力
側の光導波路から出射されるようになる。最後に、素子
分離を行い、入射端面、出射端面をアルミナ膜等の低反
射膜で被覆して、マッハツェンダ型半導体MQW光変調
器が完成する。
【0025】実施例2.本実施例2では、第1光導波路
と第2光導波路とのMQW構造を、ウエル層の材料組成
の異なるMQWから形成することにより、本実施例にか
かるマッハツェンダ型光変調器を実現する。
【0026】図5は、ウエル数8のMQWを用いた光導
波路において、印加電圧を0Vから1.5Vに変化にさ
せた場合の、光信号の波長(λDFB=1.58μm)と
MQW構造のウエル層のバンドギャップ波長(λg)と
の差(Δλ=λDFB−λg)と、屈折率変化量(dn/
dv)との関係を示したものである。MQWは、ウエル
層をInGaAsPから、バリア層をλg=1.18μ
mのInGaAsPから夫々形成した。ウエル層の厚さ
は7.4nmとした。
【0027】図5から分るように、光信号の波長(λ
DFB=1.58μm)とMQW構造のウエル層のバンド
ギャップ波長(λg)との差(Δλ)が約75nmより
大きくなると、印加電圧の増加により屈折率(n)は増
加する。一方、Δλが約75nmより小さくなると、印
加電圧の増加により屈折率(n)は減少する。
【0028】従って、マッハツェンダ型干渉計を構成す
る光導波路の一方に、Δλが約74nmより大きいMQ
W構造を用い、他方の光導波路に、Δλが約74nmよ
り小さいMQW構造を用いて、双方の光導波路に、1.
5Vのバイアスを印加することにより、一方の光導波路
では信号光の位相が遅れ、他方の光導波路では信号光の
位相が進むこととなる。従って、かかる位相変調された
2つの信号光を合波することにより、最終的にマッハツ
ェンダ型光変調器から出力される信号光の強度変調を行
うことが可能となる。
【0029】尚、図5は、図2と同様に、量子閉じ込め
シュタルク効果によるMQW構造の光吸収スペクトルの
電界による変化から、クラマース・クロニッヒの関係を
計算した理論値であって、現実に測定した実測値ではな
い。
【0030】次に、図6を参照しながら、本実施例にか
かるマッハツェンダ型光変調器の作製方法について説明
する。まず、図6(a)に示すように、n−InP基板
1に、SiO2よりなる選択成長マスク18を形成す
る。この時、光導波路9を形成する領域と、光導波路1
0を形成する領域とでは、選択成長マスク18の幅W
1、W2が異なるように形成される(W1<W2)。
尚、選択成長マスク18で囲まれた領域、即ち、光導波
路9と光導波路10とが形成される領域の幅は等しくな
っている。
【0031】次に、図6(b)に示すように、MOCV
D法を用いて、MQW構造(2,2’)、p−InPク
ラッド層(3,3’)、p+−InGaAsコンタクト
層(4,4’)を結晶成長する。図6(c)は、図6
(b)の上面図である。このように、幅(w1、w2)
の異なった選択成長マスク18を用いた選択成長では、
選択成長層の各層の膜厚が、選択成長マスクの幅の広い
(w2)領域で、選択成長マスク幅の狭い(w1)領域
に比べて厚くなる。
【0032】また、MQWのウエル層をInGaAs
P、バリア層をInGaAsP(λg〜1.18μm)
で形成した場合、ウエル層の材料のバンドギャップは、
選択成長マスクの広い(W2)領域の方が、選択成長マ
スクの狭い(W1)領域より、長波長となる(Δλが小
さくなる。)。
【0033】次に、図6(d)に示すように、SiO2
マスク14を用いた化学エッチングにより、リッジ構造
の光導波路を形成する。
【0034】続いて、実施例1に示した図3(e)以下
の工程と同様の工程を行うことにより、本実施例にかか
るマッハツェンダ型光変調器が完成する。
【0035】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
にかかるマッハツェンダ型光変調器では、同一位相の変
調電圧を印加するだけで、信号光の強度変調が可能とな
り、変調電圧の駆動回路を簡略化することが可能とな
る。
【0036】特に、多重量子井戸の構造や材料組成を変
えることにより、変調電圧に対する光導波路の屈折率の
変化率を変化させて、本発明にかかるマッハツェンダ型
光変調器を容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)本実施の形態にかかるマッハツェンダ
型光変調器の斜視図である。(b)A部分の断面図であ
る。
【図2】 ウエル層の厚さ(Lz)と屈折率変化量(d
n/dv)との関係である。
【図3】 実施例1にかかるマッハツェンダ型光変調器
の製造工程図である。
【図4】 実施例1にかかるマッハツェンダ型光変調器
の製造工程図である。
【図5】 光信号の波長とMQW構造のウエル層のバン
ドギャップ波長との差(Δλ)と、屈折率変化量(dn
/dv)との関係である。
【図6】 実施例2にかかるマッハツェンダ型光変調器
の製造工程図である。
【符号の説明】
1 n−InP基板、2 InGaAsウェル層とIn
GaAsPバリア層からなるMQW構造、3 p−In
Pクラッド層、4 p+−InGaAsコンタクト層、
5 SiO2絶縁膜、6 ポリイシド層、7、8 Ti
/Pt/Au電極、9、10 マッハツェンダ型干渉計
を構成する光導波路、11 入射側の光導波路、12
出射側の光導波路。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも信号光が入射する入射側光導
    波路と、 該入射側光導波路を分岐させて接続された第1光導波路
    及び第2光導波路と、 該第1光導波路と、該第2光導波路との夫々に、電圧を
    印加するように接続された第1電極部及び第2電極部
    と、 該第1光導波路と、該第2光導波路とに、分岐して接続
    され、信号光が出射する出射側光導波路とを基板上に備
    え、上記電圧により上記信号光の変調を行うマッハツェ
    ンダ型光変調器であって、 上記第1電極部と上記第2電極部とに同一の変調電圧を
    印加することにより、上記第1光導波路の屈折率を増加
    させ、上記第2光導波路の屈折率を減少させて、上記出
    射側光導波路から出射される信号光を変調することを特
    徴とするマッハツェンダ型光変調器。
  2. 【請求項2】 上記第1光導波路及び第2光導波路が、
    各々少なくとも上記基板上に順次積層形成された第1ク
    ラッド層と、多重量子井戸層と、第2クラッド層とから
    なることを特徴とする請求項1に記載のマッハツェンダ
    型光変調器。
  3. 【請求項3】 上記第1光導波路の多重量子井戸層のウ
    エル層の厚さが、上記第2光導波路の多重量子井戸層の
    ウエル層の厚さより厚くなるように形成されたことを特
    徴とする請求項2に記載のマッハツェンダ型光変調器。
  4. 【請求項4】 上記第1光導波路の多重量子井戸層のウ
    エル層の材料が、上記第2光導波路の多重量子井戸層の
    ウエル層の材料より、バンドギャップの大きな材料から
    なるように選択されたことを特徴とする請求項2に記載
    のマッハツェンダ型光変調器。
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