JP2004020625A - Light controlling element - Google Patents

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JP2004020625A
JP2004020625A JP2002171819A JP2002171819A JP2004020625A JP 2004020625 A JP2004020625 A JP 2004020625A JP 2002171819 A JP2002171819 A JP 2002171819A JP 2002171819 A JP2002171819 A JP 2002171819A JP 2004020625 A JP2004020625 A JP 2004020625A
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JP
Japan
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layer
quantum well
multiple quantum
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light
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JP2002171819A
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Japanese (ja)
Inventor
Eiji Yagyu
柳生 栄治
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light controlling element such as an optical modulator which is easy to handle and is operated with high-speed. <P>SOLUTION: The light controlling element is provided with a transparent waveguide layer 11 which makes light propagate along a first direction, a multiple quantum well layer 3 being disposed in a vicinity of, and in parallel to, the transparent waveguide layer and making the light propagate along the first direction and two mutually different conductive regions 6, 7 being disposed in a plane parallel to the multiple quantum well layer so as to sandwich the multiple quantum well layer from a second direction vertical to the first direction. The light propagating through the multiple quantum well layer is in a mode coupling relation with the light propagating through the transparent waveguide layer. It is possible to apply an electric field to the multiple quantum well layer between the two conductive regions along the second direction. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調器や光スイッチ等の光制御素子に関する。特に、多重量子井戸構造を有する電界吸収型光制御素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在の光通信における光強度変調素子としては、電界吸収型光変調器が用いられている。この電界吸収型光変調器では、多重量子井戸層の層方向に垂直に上下方向から電界を印加し吸収線をシフトさせて、光変調器に入射した光の強度を制御して、出射光の光強度変調を行う。この光変調器の動作限界は、通信に必要な消光比を得るための変調を行う導波路長に応じた素子容量Cで制限されるため、40Gbit/sec程度での変調が動作限界と考えられる。したがって、より高速な光強度変調素子には、短い変調導波路長で同じ変調を実現する事が求められる。
【0003】
そこで、さらに高速動作可能な光変調器の開発が進められている。例えば、特開平8−248363号公報には、多重量子井戸層の層に平行な左右側方から層方向に平行に電界を印加する層方向電界印加型光変調器が記載されている。この層方向電界印加型光変調器では、層方向に平行に電界を印加することによって吸収線をブリーチして信号波長での吸収係数を変化させ、光強度変調を行っている。これによって、層方向に垂直に電界を印加する方法よりも大きな変調度が得られる。その結果、従来方式より短い、およそ100μm以下の変調導波路長としても同等の消光比が得られる。そこで、変調導波路長を短くできるので素子容量を減少させて高速動作が可能となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように変調導波路長を短縮すると、光制御素子としてのサイズが微細化するので取り扱いの観点でいくつかの問題点が生じる。例えば、ウエハからの素子割り出し、取り付け時のハンドリング等が困難となる。そこで、従来の層方向に垂直に電界を印加する電界吸収型光変調器では、変調導波路の前後に光変調に寄与しない透明導波路を設け、変調導波路長を短いままで素子長を長くしてハンドリングを改善していた。
【0005】
しかし、層方向に平行に電界を印加する層方向電界印加型の光変調器では、変調導波路部分のみ選択的に電界を印加する構造を作製することが困難なので、光変調に寄与しない透明導波路部分にも電界が印加される。このため、透明導波路部分の容量も加わって素子容量が増加してしまい、高速動作させることができないという問題点が生じていた。また、変調導波路部分と透明導波路部分の接合は、完全に損失なく接合することは不可能なため、伝搬損失が発生するという問題点も生じていた。
【0006】
そこで、本発明の目的は、取り扱いが容易であって、高速動作可能な光変調器等の光制御素子を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光制御素子は、光を第1方向に沿って伝搬させる透明導波層と、前記透明導波層と近接して平行に配置され、光を前記第1方向に沿って伝搬させる多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層の層に平行な面内で、前記第1方向に垂直な第2方向から前記多重量子井戸層を挟んで設けられた互いに異なる2つの導電型領域と
を備え、
前記多重量子井戸層を伝搬する光は、前記透明導波層を伝搬する光とモード結合の関係にあり、
前記2つの導電型領域の間で、電界を前記第2方向に沿って前記多重量子井戸層に印加可能なことを特徴とする。
【0008】
また、本発明に係る光制御素子は、前記光制御素子であって、前記多重量子井戸層は、前記第1方向に沿った長さLが、
L=2mπ/(βe−βo)
(βeは対称形の基本モード伝搬定数、βoは反対称形の一次モードの伝搬定数、mは自然数)で表されることを特徴とする。
【0009】
さらに、本発明に係る光制御素子は、前記光制御素子であって、前記多重量子井戸層は、前記第1方向に沿った長さが前記透明導波層の前記第1方向に沿った長さより短いことを特徴とする。
【0010】
またさらに、本発明に係る光制御素子は、前記光制御素子であって、前記多重量子井戸層は、前記第1方向に沿った長さが50〜100μmの範囲にあることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る光変調器について、添付図面を用いて説明する。なお、図面において実質的に同一部材には同一の符号を付している。
【0012】
実施の形態1.
本発明の実施の形態1に係る光変調器について図1から図3を用いて説明する。図1は、この光変調器の光を伝搬する第1方向に沿った側面図である。図2は、図1のA−A’線に沿った断面図である。図3は、この光変調器の動作原理を示す図である。この光変調器は、図1に示すように、光を第1方向に沿って伝搬させる透明導波層11と、該透明導波層11に近接して平行に配置され、光を第1方向に沿って伝搬させる変調導波層である多重量子井戸層3とを備える。この多重量子井戸層3は、透明導波層11といわゆる装荷結合の関係にある。この場合、多重量子井戸層3を伝搬する光は、透明導波層11を伝搬する光とモード結合の関係にある。即ち、図1に示すように、透明導波層11を第1方向に沿って伝搬する光は、多重量子井戸層3との間でいったり来たりを繰り返す。この場合、多重量子井戸層3の長さLを所定長さに制御しておくことによって、光変調しない場合には光は透明導波層11に再び戻って伝搬する。なお、この多重量子井戸層の長さLの条件については後述する。
【0013】
また、この光変調器は、多重量子井戸層3の層に平行な面内で、第1方向に巣直な第2方向から該多重量子井戸層3を挟んで設けられた互いに異なる2つの導電型領域6、7を備える。この2つの導電型領域6、7の間で、電界を第2方向に沿って多重量子井戸層3に印加する。この場合、多重量子井戸層3の層に平行に電界を印加した場合にも、透明導波層11は、多重量子井戸層3とは同一面内にはないので、透明導波層11への電界印加を避けることができる。そこで、変調導波層である多重量子井戸層3の導波路長を短くして低容量化することができるので、高速変調が可能となる。しかも、多重量子井戸層3を短くしながら、透明導波層11と一体的に構成することで光変調器のサイズを大きくとれるので取り扱いが容易となる。
【0014】
次に、この光変調器の断面構造について図2を用いて説明する。まず、光を第1方向に沿って伝搬させる中央部では、InP基板1から、順に、不純物を有しないノンドープInP下部クラッド層2、ノンドープGaInAsP透明導波層11、ノンドープInP中間クラッド層12、ノンドープGaInAsP多重量子井戸層3、ノンドープInP上部クラッド層4が積層されている。
【0015】
一方、多重量子井戸層の層に平行な面内で、第1方向に垂直な第2方向から多重量子井戸層3を挟む両側では、InP基板1から、順に、ノンドープInP下部クラッド層2、中央部の透明導波層11を挟む側部クラッド層12、中央部の多重量子井戸層3を挟む互いに異なる2つの導電型領域6、7、GaInAsコンタクト層5、それに電極8、9が積層されている。上記2つの導電型領域6、7によって、多重量子井戸層3の層に平行に電界を印加する。
【0016】
さらに、この光変調器の動作原理について、図3を用いて説明する。図3は、多重量子井戸層3に電界を印加した場合の吸収係数の変化を示すグラフである。この光変調器では、多重量子井戸層3の層方向に平行に電界を印加して光強度変調を行っている。多重量子井戸層3に外部電界を印加すると、図3に示すように、電界が0の場合(E=0)と比べて特定の波長範囲の光の吸収係数が変化する。この吸収係数の変化を利用して光強度変調を行うことができる。まず、多重量子井戸層3は、外部からの電界が印加されていない時(E=0)は、実線で示すように、励起子による吸収線が鋭く、使用波長に対し吸収がほとんどなく透明導波路として考えてよい。一方、外部から電界を印加した際には、小さな電界強度変化であっても効果的に励起子吸収が鈍くなり、点線で示すように、特定波長範囲において吸収係数が増加する。ここで、ノンドープGaInAsP多重量子井戸層3のフォトルミネッセンス波長は、使用する波長帯に適合するように、例えば、1.55μm帯の光を変調する際には1.49μm前後にする。なお、多重量子井戸層3の層方向に平行に電界を印加することにより、層方向に垂直に電界を印加する場合よりも、短い導波路長で光強度変調の動作に必要な消光比が得られる。このため、導波路長を短くする事ができるので、光変調器の低容量化を実現できると共に、高速応答が可能となる。
【0017】
次に、多重量子井戸層3の長さLの条件について検討する。この多重量子井戸層3は、透明導波層と近接して第1方向に平行に配置され、いわゆる装荷結合の関係にある。これにより、多重量子井戸層3を伝搬する光は、透明導波層11を伝搬する光とモード結合の関係にある。ここで、モード結合の関係とは、透明導波層11に入射した光のパワーが多重量子井戸層3との間を行き来しうる関係をいう。この場合、装荷結合された多重量子井戸層3の長さL等の条件に応じて、光が透明導波層11に戻って伝搬する場合と、該透明導波層11に戻ることなく消光する場合がある。ここで、変調導波層である多重量子井戸層3に電界を印加しない場合には、モード結合の関係にある光が透明導波層11に戻ることが条件となる。一方、多重量子井戸層3に電界を印加した場合には使用波長において吸収係数が大きくなるため、多重量子井戸層3でほぼ吸収されてしまう。
【0018】
そこで、モード結合の関係にある光が透明導波層11に戻る条件を満たすように、変調導波層としての多重量子井戸層3の具体的な長さLを算出する。まず、屈折率nの導波層をz軸に沿って周波数ω、伝搬定数βの光が伝搬する場合、その電磁界eは、次式で表される。
e(r,t)=E(x,y)×exp[j(ωt−βz)]   (1)
そこで、透明導波層11と、多重量子井戸層3とを行き来して伝搬する光の固有モードのうち、対称形の基本モードの伝搬定数をβe、反対称形の一次モードの伝搬定数をβoとすると、
βe>βo   (2)
の関係がある。したがって、伝搬に伴い各モードにz(βe−βo)だけ位相ずれが生じ、この位相差がπになったときに光のエネルギーは導波層間を移行する。一方、光が透明導波層11に戻るのは位相差が2πの整数倍になった場合である。そこで、この場合の多重量子井戸層3の長さLは、
2πm=L(βe−βo)   (3)
で表されるので、変形して、
L=2mπ/(βe−βo)   (4)
(m=1、2、3・・・)
で与えられる。この多重量子井戸層3の長さLは、できるだけ短くする観点から、mは小さいことが望ましい。また、素子容量に関するRC制限の観点から、導波路長の長さは、10Gbit/secを超える高速での変調を行うためには、150μm以下が好ましい。具体的には、50μm〜100μmの範囲がさらに好ましい。一方、透明導波層11の長さは、変調性能を左右しないので、サイズ的な取り扱いが容易になる程度の大きさであればよい。なお、好ましくは150μm以上とする。
【0019】
なお、ここでは光強度変調器として用いる場合について説明したが、その用途は光強度変調器に限られない。例えば、光スイッチとして機能させることもできる。さらに別の光制御素子として用いてもよい。また、同一のInP基板1上に半導体レーザ装置を作製し、該半導体装置と光変調器とを集積化してもよい。
【0020】
また、この光変調器の製造方法について説明する。まず、この光変調器において、光を伝搬させる中央部は、以下の手順で作製される。
(a)InP基板1を用意する。
(b)該InP基板1の第1面上に、順に、ノンドープInP下部クラッド層2、ノンドープGaInAsP透明導波層11、ノンドープInP中間クラッド層12、ノンドープGaInAsP多重量子井戸層3、ノンドープInP上部クラッド層4を積層する。なお、各層を構成するInP、GaInAsやGaInAsP等の化合物半導体層は、有機金属気相成長法(MO−VPE)や分子線エピタキシャル法(MBE)を用いてエピタキシャル成長させることができる。
【0021】
一方、この光変調器の側面構造は以下の手順で作製される。ここで、側面構造としては、例えば、透明導波層11の両側部を挟む側部クラッド層12や、量子井戸層3の両側部を挟む2つの導電型領域6、7等である。
(a)上部クラッド層4まで形成した後、該上部クラッド層4の上にSiO等の絶縁膜で幅1〜3μmのストライプを形成する。この絶縁膜の幅が光を導波する透明導波層11や多重量子井戸層3の幅となる。
(b)次いで、該絶縁膜をマスクにしてノンドープInP下部クラッド層2が露出するまでエッチングする。
(c)下部クラッド層2の上に、透明導波層11を挟むように側部クラッド層12を形成する。それぞれの半導体層は、導電型不純物を添加した半導体層を選択再成長させて形成できる。
(d)側部クラッド層12の上に、多重量子井戸層3を挟むように導電型領域6、7を形成する。この場合、それぞれの導電型不純物を拡散やイオン注入などの手法で添加し、導電型領域6、7としてもよい。
(e)導電型領域6、7の上に、それぞれコンタクト層5を形成する。また、コンタクト層5として、p型コンタクト層にはGaInAs層が好ましい。
(f)コンタクト層5の上に、電極8、9を蒸着により形成する。
以上の各工程によりこの光変調器が作製される。
【0022】
ここで、上記下部クラッド層2、上記側部クラッド層12、コンタクト層5等の半導体層は、例えばInP基板1と格子整合する条件下でGaInAsP層の組成比を変化させて形成してもよい。すなわち、組成比を変化させる事で、屈折率やバンドギャップを制御できるので、屈折率の低いクラッド層や、バンドギャップの小さな量子井戸層を形成できる。なお、透明導波層や多重量子井戸層に用いる化合物半導体層としては、GaInAsP層に限られない。その他、例えば、InP基板と格子整合しうるAlGaInAs層等の化合物半導体層を用いることができる。この場合、屈折率やバンドギャップ等が所定値を有するものであれば、透明導波層や多重量子井戸層として用いることができる。
【0023】
【発明の効果】
本発明に係る光制御素子によれば、光を第1方向に沿って伝搬させる透明導波層と、該透明導波層と近接して平行に配置され、光を第1方向に沿って伝搬させる多重量子井戸層とを備える。この多重量子井戸層は、透明導波層といわゆる装荷結合の関係にあり、多重量子井戸層を伝搬する光は、透明導波層を伝搬する光とモード結合の関係にある。また、多重量子井戸層の層に平行な面内で、第1方向と垂直な第2方向から多重量子井戸層を挟んで設けられた互いに異なる2つの導電型領域とを備える。この2つの導電型領域の間で、電界を上記第2方向に沿って多重量子井戸層に印加できる。この場合、透明導波層は、多重量子井戸層とは同一面内にはないので、透明導波層への電界印加を避けることができる。そこで、変調導波層である多重量子井戸層の導波路長を短くして低容量化することができるので、高速変調が可能となる。しかも、多重量子井戸層を短くしながら、透明導波層と一体的に構成することで光変調器のサイズを大きくとれるので取り扱いが容易となる。
【0024】
また、本発明に係る光制御素子によれば、多重量子井戸層は、第1方向に沿った長さLが、
L=2mπ/(βe−βo)
(βeは対称形の基本モード伝搬定数、βoは反対称形の一次モードの伝搬定数、mは自然数)で表される。これによって、多重量子井戸層に電界を印加しない場合には、モード結合の関係にある光は透明導波層に戻って伝搬する。
【0025】
さらに、本発明に係る光制御素子によれば、多重量子井戸層は、第1方向に沿った長さが透明導波層の前記第1方向に沿った長さより短い。これによって高速動作させることができる。
【0026】
またさらに、本発明に係る光制御素子によれば、多重量子井戸層は、第1方向に沿った長さが50〜100μmの範囲にある。これによって高速動作させることができると共に、十分な消光比が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係る層方向電界印加型光変調器の導波方向に沿った側面概略図である。
【図2】図1のA−A’線に沿った断面図である。
【図3】本発明の実施の形態1に係る層方向電界印加型光変調器の動作を説明する概略図である。
【符号の説明】
1 InP基板、2 ノンドープInP下部クラッド層、3 ノンドープGaInAsP多重量子井戸層、4 ノンドープInP上部クラッド層、5 GaInAsコンタクト層、6 第1導電型領域、7 第2導電型領域、8、9 オーミック電極、10 レーザ光、11 透明導波路層、12 側部クラッド層、13
絶縁性中間クラッド層、20 層方向電界印加型光変調器
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a light control element such as a light modulator and a light switch. In particular, the present invention relates to an electroabsorption-type light control element having a multiple quantum well structure.
[0002]
[Prior art]
An electro-absorption optical modulator is used as a light intensity modulation element in the current optical communication. In this electro-absorption type optical modulator, an electric field is applied vertically from the top and bottom of the multiple quantum well layer to shift the absorption line, thereby controlling the intensity of light incident on the optical modulator, and Light intensity modulation is performed. Since the operation limit of this optical modulator is limited by the element capacitance C corresponding to the waveguide length for performing modulation for obtaining an extinction ratio required for communication, modulation at about 40 Gbit / sec is considered to be the operation limit. . Therefore, a higher-speed light intensity modulation element is required to realize the same modulation with a shorter modulation waveguide length.
[0003]
Therefore, an optical modulator that can operate at a higher speed is being developed. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-248363 describes a layer-direction electric field application type optical modulator that applies an electric field in parallel to the layer direction from the left and right sides parallel to the multiple quantum well layer. In this layer-direction electric field application type optical modulator, an electric field is applied in parallel to the layer direction to breach an absorption line to change an absorption coefficient at a signal wavelength, thereby performing light intensity modulation. As a result, a higher degree of modulation can be obtained than in the method of applying an electric field perpendicular to the layer direction. As a result, the same extinction ratio can be obtained even when the modulation waveguide length is shorter than the conventional method, that is, about 100 μm or less. Then, since the modulation waveguide length can be shortened, the device capacity can be reduced and high-speed operation can be performed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
When the length of the modulation waveguide is shortened as described above, the size of the light control element becomes smaller, so that some problems arise from the viewpoint of handling. For example, it is difficult to perform element indexing from a wafer and handling during mounting. Therefore, in a conventional electroabsorption optical modulator that applies an electric field perpendicular to the layer direction, a transparent waveguide that does not contribute to light modulation is provided before and after the modulation waveguide, and the element length is increased while the modulation waveguide length is kept short. And had improved handling.
[0005]
However, in a layer-direction electric field application type optical modulator in which an electric field is applied in parallel to the layer direction, it is difficult to fabricate a structure that selectively applies an electric field only to the modulation waveguide portion. An electric field is also applied to the wave path portion. For this reason, the capacitance of the transparent waveguide portion is added to increase the device capacitance, and there has been a problem that high-speed operation cannot be performed. In addition, since it is impossible to join the modulation waveguide portion and the transparent waveguide portion completely without loss, there has been a problem that a propagation loss occurs.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide an optical control element such as an optical modulator which is easy to handle and can operate at high speed.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The light control element according to the present invention is provided with a transparent waveguide layer that propagates light along a first direction, and is disposed close to and parallel to the transparent waveguide layer, and propagates light along the first direction. A multiple quantum well layer;
Two different conductivity type regions provided in a plane parallel to the layer of the multiple quantum well layer and sandwiching the multiple quantum well layer from a second direction perpendicular to the first direction;
The light propagating through the multiple quantum well layer has a mode coupling relationship with the light propagating through the transparent waveguide layer,
An electric field can be applied to the multiple quantum well layer along the second direction between the two conductivity type regions.
[0008]
The light control element according to the present invention is the light control element, wherein the multiple quantum well layer has a length L along the first direction,
L = 2mπ / (βe-βo)
(Βe is a symmetric fundamental mode propagation constant, βo is an antisymmetric primary mode propagation constant, and m is a natural number).
[0009]
Further, the light control element according to the present invention is the light control element, wherein the length of the multiple quantum well layer along the first direction is equal to the length of the transparent waveguide layer along the first direction. It is characterized by being shorter.
[0010]
Still further, the light control element according to the present invention is the light control element, wherein the multiple quantum well layer has a length along the first direction in a range of 50 to 100 μm.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An optical modulator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, substantially the same members are denoted by the same reference numerals.
[0012]
Embodiment 1 FIG.
An optical modulator according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a side view of the optical modulator along a first direction in which light propagates. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. FIG. 3 is a diagram showing the operation principle of this optical modulator. As shown in FIG. 1, the optical modulator is disposed in parallel with a transparent waveguide layer 11 for propagating light along a first direction, and is disposed adjacent to and in parallel with the transparent waveguide layer 11. And a multiple quantum well layer 3 which is a modulation waveguide layer for propagating along. The multiple quantum well layer 3 has a so-called load-coupled relationship with the transparent waveguide layer 11. In this case, the light propagating through the multiple quantum well layer 3 has a mode coupling relationship with the light propagating through the transparent waveguide layer 11. That is, as shown in FIG. 1, light propagating in the transparent waveguide layer 11 along the first direction repeats coming and going between the multiple quantum well layers 3. In this case, by controlling the length L of the multiple quantum well layer 3 to a predetermined length, the light propagates back to the transparent waveguide layer 11 again when light modulation is not performed. The condition of the length L of the multiple quantum well layer will be described later.
[0013]
The optical modulator also includes two different conductive layers provided in a plane parallel to the layer of the multiple quantum well layer 3 and sandwiching the multiple quantum well layer 3 from a second direction perpendicular to the first direction. Mold regions 6 and 7 are provided. An electric field is applied to the multiple quantum well layer 3 between the two conductivity type regions 6 and 7 along the second direction. In this case, even when an electric field is applied in parallel to the layers of the multiple quantum well layer 3, the transparent waveguide layer 11 is not in the same plane as the multiple quantum well layer 3. Electric field application can be avoided. Thus, the waveguide length of the multiple quantum well layer 3, which is a modulation waveguide layer, can be shortened to reduce the capacity, and high-speed modulation can be performed. In addition, since the size of the optical modulator can be increased by integrally forming it with the transparent waveguide layer 11 while shortening the multiple quantum well layer 3, the handling becomes easy.
[0014]
Next, a cross-sectional structure of the optical modulator will be described with reference to FIG. First, in the central portion where light is propagated along the first direction, from the InP substrate 1, the non-doped InP lower cladding layer 2 having no impurity, the non-doped GaInAsP transparent waveguide layer 11, the non-doped InP intermediate cladding layer 12, the non-doped A GaInAsP multiple quantum well layer 3 and a non-doped InP upper cladding layer 4 are stacked.
[0015]
On the other hand, in the plane parallel to the multiple quantum well layer, on both sides sandwiching the multiple quantum well layer 3 from the second direction perpendicular to the first direction, the non-doped InP lower cladding layer 2 and the central A side cladding layer 12 sandwiching a portion of the transparent waveguide layer 11, two different conductivity type regions 6 and 7 sandwiching the central multiple quantum well layer 3, a GaInAs contact layer 5, and electrodes 8 and 9 are laminated. I have. An electric field is applied in parallel to the multiple quantum well layer 3 by the two conductivity type regions 6 and 7.
[0016]
Further, the operating principle of the optical modulator will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a graph showing a change in the absorption coefficient when an electric field is applied to the multiple quantum well layer 3. In this optical modulator, an electric field is applied in parallel to the layer direction of the multiple quantum well layer 3 to perform light intensity modulation. When an external electric field is applied to the multiple quantum well layer 3, as shown in FIG. 3, the absorption coefficient of light in a specific wavelength range changes as compared with the case where the electric field is 0 (E = 0). Light intensity modulation can be performed using the change in the absorption coefficient. First, when no external electric field is applied (E = 0), the multiple quantum well layer 3 has a sharp absorption line due to excitons as shown by a solid line, and has almost no absorption at the used wavelength. You can think of it as a wave path. On the other hand, when an electric field is applied from the outside, the exciton absorption is effectively reduced even with a small change in the electric field intensity, and the absorption coefficient is increased in a specific wavelength range as shown by a dotted line. Here, the photoluminescence wavelength of the non-doped GaInAsP multiple quantum well layer 3 is, for example, about 1.49 μm when modulating light in the 1.55 μm band so as to be compatible with the wavelength band to be used. By applying an electric field parallel to the layer direction of the multiple quantum well layer 3, an extinction ratio required for the light intensity modulation operation can be obtained with a shorter waveguide length than when an electric field is applied perpendicular to the layer direction. Can be For this reason, since the waveguide length can be shortened, the capacity of the optical modulator can be reduced, and high-speed response can be achieved.
[0017]
Next, the condition of the length L of the multiple quantum well layer 3 will be discussed. The multiple quantum well layer 3 is arranged close to the transparent waveguide layer and parallel to the first direction, and has a so-called load coupling relationship. Thus, light propagating in the multiple quantum well layer 3 has a mode coupling relationship with light propagating in the transparent waveguide layer 11. Here, the relation of the mode coupling means a relation in which the power of the light incident on the transparent waveguide layer 11 can be transferred to and from the multiple quantum well layer 3. In this case, depending on conditions such as the length L of the loaded and coupled multiple quantum well layer 3 and the like, the light propagates back to the transparent waveguide layer 11 and quenches without returning to the transparent waveguide layer 11. There are cases. Here, when an electric field is not applied to the multiple quantum well layer 3 which is a modulation waveguide layer, a condition is that light having a mode coupling relationship returns to the transparent waveguide layer 11. On the other hand, when an electric field is applied to the multiple quantum well layer 3, the absorption coefficient becomes large at the used wavelength, and the absorption is substantially absorbed by the multiple quantum well layer 3.
[0018]
Therefore, a specific length L of the multiple quantum well layer 3 as a modulation waveguide layer is calculated so as to satisfy a condition that light having a mode coupling relationship returns to the transparent waveguide layer 11. First, when light having a frequency ω and a propagation constant β propagates along the z-axis through a waveguide layer having a refractive index n, the electromagnetic field e is represented by the following equation.
e (r, t) = E (x, y) × exp [j (ωt−βz)] (1)
Therefore, of the eigenmodes of light propagating back and forth between the transparent waveguide layer 11 and the multiple quantum well layer 3, the propagation constant of the symmetric fundamental mode is βe, and the propagation constant of the antisymmetric primary mode is βo. Then
βe> βo (2)
There is a relationship. Accordingly, a phase shift occurs in each mode by z (βe−βo) with the propagation, and when this phase difference becomes π, light energy transfers between the waveguide layers. On the other hand, the light returns to the transparent waveguide layer 11 when the phase difference becomes an integral multiple of 2π. Therefore, the length L of the multiple quantum well layer 3 in this case is
2πm = L (βe-βo) (3)
Because it is represented by
L = 2mπ / (βe-βo) (4)
(M = 1, 2, 3, ...)
Given by From the viewpoint of making the length L of the multiple quantum well layer 3 as short as possible, it is desirable that m is small. In addition, from the viewpoint of RC limitation on element capacitance, the length of the waveguide is preferably 150 μm or less in order to perform high-speed modulation exceeding 10 Gbit / sec. Specifically, the range of 50 μm to 100 μm is more preferable. On the other hand, since the length of the transparent waveguide layer 11 does not affect the modulation performance, it is sufficient that the length is large enough to facilitate handling in size. Note that the thickness is preferably 150 μm or more.
[0019]
Here, the case of using as a light intensity modulator has been described, but the application is not limited to the light intensity modulator. For example, it can function as an optical switch. It may be used as another light control element. Further, a semiconductor laser device may be manufactured on the same InP substrate 1, and the semiconductor device and the optical modulator may be integrated.
[0020]
Further, a method for manufacturing the optical modulator will be described. First, in this optical modulator, a central portion for transmitting light is manufactured by the following procedure.
(A) An InP substrate 1 is prepared.
(B) On the first surface of the InP substrate 1, a non-doped InP lower cladding layer 2, a non-doped GaInAsP transparent waveguide layer 11, a non-doped InP intermediate cladding layer 12, a non-doped GaInAsP multiple quantum well layer 3, and a non-doped InP upper cladding in this order. Layer 4 is laminated. The compound semiconductor layers such as InP, GaInAs, and GaInAsP constituting each layer can be epitaxially grown by using a metal organic chemical vapor deposition (MO-VPE) or a molecular beam epitaxy (MBE).
[0021]
On the other hand, the side structure of this optical modulator is manufactured by the following procedure. Here, examples of the side structure include a side clad layer 12 sandwiching both sides of the transparent waveguide layer 11 and two conductive type regions 6 and 7 sandwiching both sides of the quantum well layer 3.
(A) After forming up to the upper cladding layer 4, a stripe having a width of 1 to 3 μm is formed on the upper cladding layer 4 with an insulating film such as SiO 2 . The width of this insulating film is the width of the transparent waveguide layer 11 and the multiple quantum well layer 3 that guide light.
(B) Next, etching is performed using the insulating film as a mask until the non-doped InP lower cladding layer 2 is exposed.
(C) The side cladding layer 12 is formed on the lower cladding layer 2 so as to sandwich the transparent waveguide layer 11 therebetween. Each semiconductor layer can be formed by selectively regrowing a semiconductor layer to which a conductive impurity is added.
(D) Conductive regions 6 and 7 are formed on side cladding layer 12 so as to sandwich multiple quantum well layer 3. In this case, the conductive type impurities may be added by a method such as diffusion or ion implantation to form the conductive type regions 6 and 7.
(E) A contact layer 5 is formed on each of the conductivity type regions 6 and 7. As the contact layer 5, a GaInAs layer is preferably used for the p-type contact layer.
(F) The electrodes 8 and 9 are formed on the contact layer 5 by vapor deposition.
The optical modulator is manufactured by the above steps.
[0022]
Here, the semiconductor layers such as the lower cladding layer 2, the side cladding layer 12, and the contact layer 5 may be formed, for example, by changing the composition ratio of the GaInAsP layer under the condition of lattice matching with the InP substrate 1. . That is, since the refractive index and the band gap can be controlled by changing the composition ratio, a clad layer having a low refractive index and a quantum well layer having a small band gap can be formed. The compound semiconductor layer used for the transparent waveguide layer and the multiple quantum well layer is not limited to the GaInAsP layer. In addition, for example, a compound semiconductor layer such as an AlGaInAs layer that can lattice-match with the InP substrate can be used. In this case, as long as the refractive index, band gap, and the like have predetermined values, they can be used as a transparent waveguide layer or a multiple quantum well layer.
[0023]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the light control element which concerns on this invention, the transparent waveguide layer which makes light propagate along a 1st direction, it is arrange | positioned close to and parallel to the transparent waveguide layer, and propagates light along a 1st direction. And a multiple quantum well layer. The multiple quantum well layer has a so-called load-coupled relationship with the transparent waveguide layer, and light propagating through the multiple quantum well layer has a mode-coupled relationship with light propagating through the transparent waveguide layer. The semiconductor device also includes two different conductivity type regions provided in a plane parallel to the multiple quantum well layer and sandwiching the multiple quantum well layer from a second direction perpendicular to the first direction. An electric field can be applied to the multiple quantum well layer along the second direction between the two conductivity type regions. In this case, since the transparent waveguide layer is not in the same plane as the multiple quantum well layer, application of an electric field to the transparent waveguide layer can be avoided. Then, since the waveguide length of the multiple quantum well layer, which is the modulation waveguide layer, can be shortened to reduce the capacity, high-speed modulation becomes possible. In addition, since the size of the optical modulator can be increased by forming the optical modulator integrally with the transparent waveguide layer while shortening the multiple quantum well layer, the handling becomes easy.
[0024]
According to the light control element of the present invention, the multiple quantum well layer has a length L along the first direction,
L = 2mπ / (βe-βo)
(Βe is a symmetric fundamental mode propagation constant, βo is an antisymmetric primary mode propagation constant, and m is a natural number). Accordingly, when no electric field is applied to the multiple quantum well layer, light having a mode coupling relationship propagates back to the transparent waveguide layer.
[0025]
Furthermore, according to the light control element of the present invention, the length of the multiple quantum well layer along the first direction is shorter than the length of the transparent waveguide layer along the first direction. Thereby, high-speed operation can be performed.
[0026]
Still further, according to the light control element of the present invention, the length of the multiple quantum well layer along the first direction is in the range of 50 to 100 μm. This allows high speed operation and a sufficient extinction ratio.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic side view of a layer direction electric field application type optical modulator according to a first embodiment of the present invention, taken along a waveguide direction.
FIG. 2 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an operation of the layer-directional electric field application type optical modulator according to the first embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 InP substrate, 2 non-doped InP lower cladding layer, 3 non-doped GaInAsP multiple quantum well layer, 4 non-doped InP upper cladding layer, 5 GaInAs contact layer, 6 first conductivity type region, 7 second conductivity type region, 8, 9 ohmic electrode , 10 laser light, 11 transparent waveguide layer, 12 side cladding layer, 13
Insulating intermediate cladding layer, 20-layer direction electric field application type optical modulator

Claims (4)

光を第1方向に沿って伝搬させる透明導波層と、
前記透明導波層と近接して平行に配置され、光を前記第1方向に沿って伝搬させる多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層の層に平行な面内で、前記第1方向に垂直な第2方向から前記多重量子井戸層を挟んで設けられた互いに異なる2つの導電型領域と
を備え、
前記多重量子井戸層を伝搬する光は、前記透明導波層を伝搬する光とモード結合の関係にあり、
前記2つの導電型領域の間で、電界を前記第2方向に沿って前記多重量子井戸層に印加可能なことを特徴とする光制御素子。
A transparent waveguide layer for transmitting light along the first direction;
A multiple quantum well layer disposed in parallel with and close to the transparent waveguide layer and configured to propagate light along the first direction;
Two different conductivity type regions provided in a plane parallel to the layer of the multiple quantum well layer and sandwiching the multiple quantum well layer from a second direction perpendicular to the first direction;
The light propagating through the multiple quantum well layer has a mode coupling relationship with the light propagating through the transparent waveguide layer,
An optical control element, wherein an electric field can be applied to the multiple quantum well layer along the second direction between the two conductivity type regions.
前記多重量子井戸層は、前記第1方向に沿った長さLが、
L=2mπ/(βe−βo)
(βeは対称形の基本モード伝搬定数、βoは反対称形の一次モードの伝搬定数、mは自然数)で表されることを特徴とする請求項1に記載の光制御素子。
The multiple quantum well layer has a length L along the first direction,
L = 2mπ / (βe-βo)
The light control element according to claim 1, wherein β is a symmetric fundamental mode propagation constant, βo is an antisymmetric first-order mode propagation constant, and m is a natural number.
前記多重量子井戸層は、前記第1方向に沿った長さが前記透明導波層の前記第1方向に沿った長さより短いことを特徴とする請求項1に記載の光制御素子。The light control device according to claim 1, wherein the length of the multiple quantum well layer along the first direction is shorter than the length of the transparent waveguide layer along the first direction. 前記多重量子井戸層は、前記第1方向に沿った長さが50〜100μmの範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の光制御素子。The light control element according to claim 1, wherein the multiple quantum well layer has a length along the first direction in a range of 50 to 100 μm.
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