JP2003222827A - 光変調素子 - Google Patents

光変調素子

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】静電容量を小さく制御し、かつ正孔の蓄積効果
を低減し周波数応答特性の電圧依存性を解消し、高速動
作を可能とした光変調素子を提供する。 【解決手段】Ｎ型クラッド層上に光が伝搬する方向にス
トライプ状の変調層、バッファ層、Ｐ型クラッド層を順
次積層したダブルヘテロ構造の光変調素子において、バ
ッファ層を変調層のバンドギャップエネルギーよりＰ型
アクセプタレベル分のエネルギーだけバンドギャップエ
ネルギーの大きな組成とすることにより変調層とバッフ
ァ層のバンドギャップエネルギー段差を無くす。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、光通信で用いら
れる電気信号を光の信号に変換する光変調素子に関し、
特に正孔の蓄積効果を低減する構造から周波数応答特性
の電圧依存性を解消した光変調素子に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】図７に光変調素子の概略構成図を示す。
光変調素子は、Ｎ型クラッド層（n-InP基板）２の表面
に変調層３、Ｐ型クラッド層４を順次成膜し、Ｎ側クラ
ッド層側とＰ型クラッド層側にはＮ電極１、Ｐ電極７が
それぞれ設けられる。６は絶縁膜を示す。両電極には信
号源を直列接続した直流電源が逆極性に接続され、逆バ
イアス電界が印加される。そして、変調層３の一方の面
に対して垂直の方向に光を入射させ、入射した光は光変
調層を伝播し、印加電界により変調され、その他方の面
から放射される。光変調素子は両電極に印加する電圧を
変化させることで電気のＯＮ／ＯＦＦ信号を光の強弱信
号に変換する。
【０００３】（従来例１）図８に従来例１の光変調素子
の変調層付近の詳細図を示す。光変調素子は、Ｎ型クラ
ッド層（n-InP基板）２、変調層３、バッファ層９、Ｐ
型クラッド層４からなり、それぞれの材料、バンドギャ
ップエネルギーを表１に示す。
【表１】 このような構造の場合、厚さ方向のエネルギーバンド図
は図９に示すようになる。従来例１の光変調素子では、
P-N接合部（Ｐ型不純物とＮ型不純物のバランスのとれ
た点の位置）がバッファ層内に生成される。P-N接合部
の位置はＰ型クラッド層のドーピング材がどのようにバ
ッファ層に熱拡散するかに依存している。光通信に用い
られる素子に良く利用されるInPなどへのＰ型ドーピン
グ材として、一般的にZnが用いられるが、Znは非常に熱
拡散しやすいためP-N接合部の位置を制御するのは非常
に難しく、製造工程に大きく左右される。P-N接合部の
位置が変調層に入ってくると光損失が大きくなってしま
い好ましくない。したがって、P-N接合部とバッファ層
／変調層界面との間に価電子帯にエネルギーの高い領域
ができている。変調層で光が吸収されると価電子帯に正
孔が、伝導帯に電子が生成される。生成された電子はＮ
型クラッド層側に邪魔されることなく移動していくが、
正孔は変調層とバッファ層の界面に生ずるエネルギーの
段差（およそ400meV）にはばまれてＰ型クラッド層側に
移動することができなくなり蓄積する。正孔が蓄積する
と変調素子に印加した電圧を打ち消してしまうことによ
り、光の吸収が弱くなり、電気信号のＯＮ／ＯＦＦを光
の強弱信号に効率的に変換できなくなり、変調動作時の
信号波形が劣化してしまう。従来例１においては変調層
のみが光の吸収に寄与する。
【０００４】（従来例２）図１０に従来例２の光変調素
子の変調層付近の詳細図を示す。従来例２の光変調素子
は従来例１の光変調素子においてパイルアップ防止層
（パイルアップを防止するためにバンドギャップエネル
ギーの傾斜を緩かにした層）を設けたものである。光変
調素子はＮ型クラッド層（n-InP基板）２、変調層３、
パイルアップ防止層１０、バッファ層９、Ｐ型クラッド
層４からなり、それぞれの材料、バンドギャップを表２
に示す。
【表２】 このような構造の場合、厚さ方向のエネルギーバンド図
は図１１に示すようになる。P-N接合部はバッファ層内
に形成され、バッファ層と変調層の界面の間に厚さ方向
に組成の傾斜したパイルアップ防止層を設けて、光吸収
によって生じた価電子帯の正孔がこのエネルギーの段差
を乗り越えやすくしたものである。従来例１では、パイ
ルアップがP-N接合位置とバッファ層／変調層界面間の
距離を大きく依存するためにあまり大きく設定すること
ができないため、空乏層厚を大きくとれない。したがっ
て、素子の静電容量が大きくなり高速動作に問題があっ
た。また、従来例２では、パイルアップ防止層を入れる
ことで前述の距離を大きくすることが可能で静電容量を
低減できる。従来例２においては変調層のみが光の吸収
に寄与する。
【０００５】（従来例３）図１０に示す従来の光変調素
子では、変調層の上部に屈折率が変調層よりもやや小さ
く光吸収にはほとんど関与しないノンドープバッファ層
と同様に屈折率がやや小さいＰドープバッファ層が設け
られこれらの上下を屈折率の小さなクラッド層で挟んで
いたため、伝播光のモードフィールド分布が非対称とな
っていると同時に、屈折率分布の中心と変調層の位置が
ずれており、光ファイバとの光結合効率と光吸収効率に
問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、P-N接合部
の位置を変調層から大きく離し、P-N接合部の位置がば
らついても高速動作に必要な静電容量を確保し、正孔蓄
積の要因であるエネルギー段差を従来例の光変調素子よ
りも小さくした光変調素子を提供する。また、従来の光
変調素子に比べて光ファイバとの接合効率と光吸収効率
を改善した光変調素子を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、従来例１の光変調素子におい
て、バッファ層のバンドギャップエネルギーを （バッファ層のバンドギャップエネルギー）＝（変調層
のバンドギャップエネルギー）＋（P型ドーピング材料
が作るアクセプターレベル） となるように材料を選ぶことにより、正孔の蓄積を完全
に防止することができる。これにより周波数応答特性の
電圧依存性を解消し、良好な信号波形を得ることができ
る。
【０００８】請求項２に記載の発明では、従来例２の光
変調素子において、Ｐ型クラッド層のバンドギャップエ
ネルギー＞バッファ層のバンドギャップエネルギー＞変
調層のバンドギャップエネルギーとすることで、P-N接
合の位置を変調層から大きく離し、P-N接合の位置がば
らついても高速動作に必要な静電容量を確保でき、さら
に、正孔蓄積の要因であるエネルギー段差を従来の光変
調素子よりも小さくすることができる。
【０００９】請求項３〜５に記載の発明では、請求項１
又は２に記載の光変調素子において、変調層よりもバン
ドギャップエネルギーがＰ型不純物の形成する準位分だ
け大きなＮ型の層を変調層とＮ型クラッド層間に設け
る、 変調層よりもバンドギャップエネルギーがＰ型不
純物の形成する準位分だけ大きなノンドープバッファ層
を変調層とＮ型クラッド層間に設ける、変調層よりもバ
ンドギャップエネルギーがＰ型不純物の形成する準位分
だけ大きなＮ型の層とノンドープ層を変調層とＮ型クラ
ッド層間に設けることで、光ファイバとの光結合効率と
光吸収効率を向上させる。
【００１０】
【発明の実施の形態】（実施例１）実施例１の光変調素
子の変調層付近の詳細構造を示したのが図１である。Ｎ
型クラッド層２、変調層３、バッファ層９、Ｐ型クラッ
ド層４からなり、それぞれの材料、バンドギャップエネ
ルギーを表３に示す。non-InGaAsP*のバンドギャップエ
ネルギーは組成の比率を変えることで変化させることが
できる。
【表３】 またＮ型、Ｐ型のドーピング材料にはSeとZnを用いた場
合、バッファ層のバンドギャップエネルギー中にできる
Znのアクセプタレベルは、およそ３３meVである。変調
層のバンドギャップエネルギーは８３２meVであること
から、バッファ層のバンドギャップエネルギーは、 （バッファ層のバンドギャップエネルギー）＝（変調層
のバンドギャップエネルギー）＋（Ｐ型ドーピング材料
が作るアクセプターレベル） より、８６５meVとなる。この様子を図３に示した。こ
のときの厚さ方向のエネルギーバンド図は図２のように
なり、図９に示した従来例１で見られるような大きなエ
ネルギーの段差は見られなくなる。従って、正孔の蓄積
は生じることはなくなる。また、P-N接合部はバッファ
層内の場所に設定することができ、例えばＰ型クラッド
層側に生成することで素子の静電容量を低減することが
できる。実施例１においては変調層、バッファ層が光の
吸収に寄与する。
【００１１】（実施例２）実施例２の光変調素子の変調
層付近の詳細構造を示したのが図４である。Ｎ型クラッ
ド層２、変調層３、パイルアップ防止層１０、バッファ
層９、Ｐ型クラッド層４からなり、それぞれの材料、バ
ンドギャップエネルギーを表４に示す。
【表４】 すなわち、Ｐ型クラッド層のバンドギャップエネルギー
＞バッファ層のバンドギャップエネルギー＞変調層のバ
ンドギャップエネルギーとすることにより、厚さ方向の
エネルギーバンド図は図５のようになり、図１０に示し
た従来例２（Ｐ型クラッド層のバンドギャップエネルギ
ー＝バッファ層のバンドギャップエネルギー＞変調層の
バンドギャップエネルギーとした光変調素子）でみられ
るようなエネルギーの段差自体を小さくできる（すなわ
ち、従来例２の４００meVに対し、実施例２は３００meV
となる。）。したがって、正孔の蓄積を少なくすること
ができる。また、バッファ層は変調層と同じ元素をすべ
て持つ材料構造にすることができ、成膜時に従来はＧ
ａ,Ａｓをゼロ近傍になるまで制御して供給しなければ
ならなかった。一般に原料供給制御をゼロ近傍まで行う
には制御系のダイナミックレンジが問題になるが、本構
成にすることで傾斜層の組成制御性が大きく向上する。
【００１２】また、P-N接合部の位置を変調層から大き
く離し、P-N接合部の位置がばらついても高速動作に必
要な静電容量を確保でき、さらにバッファ層のバンドギ
ャップエネルギーを変調層のバンドギャップエネルギー
に近い材料を用いることにより、正孔の蓄積を低減させ
るものである。バッファ層のバンドギャップエネルギー
の選択できる範囲は、光の閉じ込めが大きく変化しない
範囲で決定する必要があり、適切なバッファ層のバンド
ギャップエネルギーは、変調層のバンドギャップエネル
ギーよりも３００〜４００meV大きい値となる。このよ
うなバッファ層を用いることにより、高速動作に必要な
静電容量を確保すると同時に周波数応答特性に見られる
電圧依存性を解消できるものである。実施例２において
は変調層のみが光の吸収に寄与する。
【００１３】（実施例３）図６に示すように、下部Ｎ型
クラッド層２と変調層３の間に変調層と上部Ｐ型クラッ
ド層４の間に挿入されているバッファ層と同一組成の下
部ノンドープバッファ層１１を設ける。これにより、積
層方向の屈折率分布を上下対称とすることができ、モー
ドフィールドの非対称性とその中心の変調層とのずれを
解決することができる。このことにより従来構造のパイ
ルアップ防止効果を全く損なうことなく光損失の低減、
消光比（ＳＮ比）の向上を図ることができる。さらに本
構造では下部バッファ層をノンドープとすることで、空
乏層厚が厚くなり素子容量を低減させ周波数応答の向上
や、低バイアス領域での光吸収変化がなだらかになりマ
ーク側のアイ波形（アイパターン）改善につながる。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明で
は、バッファ層のバンドギャップエネルギーを（バッフ
ァ層のバンドギャップエネルギー）＝（変調層のバンド
ギャップエネルギー）＋（Ｐ型ドーピング材料が作るア
クセプターレベル）となるように選ぶことにより正孔の
蓄積を防止でき、そのことにより周波数応答特性の電圧
依存性が解消され、良好な信号波形を持つ光変調素子が
得られる。請求項２の発明では、Ｐ型クラッド層のバン
ドギャップエネルギー＞バッファ層のバンドギャップエ
ネルギー＞変調層のバンドギャップエネルギーとなる材
料を選ぶことにより、空乏層を広げ、正孔の蓄積を低減
することができる。これにより、高速動作ができる光変
調素子が得られる。
【００１５】請求項３〜５の発明では、請求項１又は２
の発明において、さらに下部クラッド層と変調層の間に
変調層と上部クラッド層の間に挿入されているバッファ
層と同一組成の下部バッファ層を設けることにより、積
層方向の屈折率分布を上下対称とすることができ、モー
ドフィールドの非対称性とその中心の変調層とのずれを
解決することができる。また、請求項１又は２の発明に
おいて、パイルアップ防止効果を全く損なうことなく光
損失の低減、消光比（ＳＮ比）の向上を図ることがで
き、下部バッファ層をノンドープとすることで、空乏層
厚が厚くなり素子容量を低減させ周波数応答の向上や、
低バイアス領域での光吸収変化がなだらかになりマーク
側のアイ波形改善につながる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の光変調素子の変調層付近の詳細図。
【図２】実施例１の光変調素子のエネルギーバンド図。
【図３】実施例１の変調層とバッファ層のバンドギャッ
プエネルギーの関係を示す図。
【図４】実施例２の光変調素子の変調層付近の詳細図。
【図５】実施例２の光変調素子のエネルギーバンド図。
【図６】実施例３の光変調素子の変調層付近の詳細と屈
折率の分布図。
【図７】従来の光変調素子の概要構成図。
【図８】従来例１の光変調素子の変調層付近の詳細図。
【図９】従来例１の光変調素子のエネルギーバンド図。
【図１０】従来例２の光変調素子の変調層付近の詳細
図。
【図１１】従来例２の光変調素子のエネルギーバンド
図。
【符号の説明】
１・・・Ｎ電極、２・・・Ｎ型クラッド層、３・・・変
調層、４・・・Ｐ型クラッド層、７・・・Ｐ電極、９・
・・バッファ層、９-１・・・Ｐドープバッファ層、９-
２・・・ノンドープバッファ層、１０・・・パイルアッ
プ防止層、下部ノンドープバッファ層

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】Ｎ型クラッド層上に光が伝搬する方向にス
    トライプ状の変調層、バッファ層、Ｐ型クラッド層を順
    次積層したダブルヘテロ構造の光変調素子において、 バッファ層を変調層のバンドギャップエネルギーよりＰ
    型アクセプタレベル分のエネルギーだけバンドギャップ
    エネルギーの大きな組成とすることを特徴とする光変調
    素子。
  2. 【請求項２】Ｎ型クラッド層上に光が伝搬する方向にス
    トライプ状の変調層、バンドギャップが傾斜的に変化す
    るパイルアップ防止層、バッファ層、Ｐ型クラッド層を
    順次積層したダブルヘテロ構造の光変調素子において、 Ｐ型クラッド層のバンドギャップエネルギー＞バッファ
    層のバンドギャップエネルギー＞変調層のバンドギャッ
    プエネルギーとすることを特徴とする光変調素子。
  3. 【請求項３】請求項１又は２に記載の光変調素子におい
    て、 変調層よりもバンドギャップエネルギーがＰ型不純物の
    形成する準位分だけ大きなＮ型の層を変調層とＮ型クラ
    ッド層間に設けたことを特徴とする光変調素子。
  4. 【請求項４】請求項１又は２に記載の光変調素子におい
    て、 変調層よりもバンドギャップエネルギーがＰ型不純物の
    形成する準位分だけ大きなノンドープ層を変調層とＮ型
    クラッド層間に設けたことを特徴とする光変調素子。
  5. 【請求項５】請求項１又は２に記載の光変調素子におい
    て、 変調層よりもバンドギャップエネルギーがＰ型不純物の
    形成する準位分だけ大きなＮ型の層とノンドープ層の２
    層を変調層とＮ型クラッド層間に設けたことを特徴とす
    る光変調素子。
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