JP2004069839A - 光変調器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光変調器1は、GaAs基板10上に設けられたGaxIn1−xNyAs1−y/GaAs超格子層14を有する。超格子層14は、GaxIn1−xNyAs1−y/GaAs層とGaAs層とが交互に積層された多重量子井戸(MQW)構造を有している。超格子層の上端および下端には、ともにGaAs層が配置されている。GaxIn1−xNyAs1−y層は、GaAsとほぼ格子整合している。超格子層14は、タイプIIのバンド構造を有する。超格子層14は、1.0μm〜1.7μmの波長域に吸収波長帯を有している。
【選択図】 図3
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信に使用可能な光変調器に関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信では、光の変調によって信号光を生成する。この光変調を実行するのが、光変調器である。光通信で一般的に使用される光変調器は、入力電気信号に応じて光の強度を変化させる。
【0003】
電界光吸収型(EA型)光変調器の光吸収層には、一般に多重量子井戸(MQW)構造が採用される。MQW層のバンド構造には、タイプIとタイプIIがある。タイプIの構造では、電子と正孔が同一の井戸層内に閉じ込められる。各井戸層の中で電子および正孔間の遷移が起こる。この遷移は、光吸収をともなう。一方、タイプIIの構造では、電子と正孔の閉じ込めが空間的に分離している。タイプIIの構造では、電界が印加されていないとき、電子と正孔の波動関数の重なりは小さい。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
タイプIのMQW構造を有するEA型光変調器には、主に二つの課題がある。第1に、この光変調器では、十分なON−OFF比(消光比:10dB以上)を得るために、80kV/cm以上という大きな変調電界を印加する必要がある。これに伴って大きな変調電圧が要求されるため、高速の変調が困難である。変調電圧Vmと変調電界Fには、F=Vm/dの関係がある。ここで、dは光吸収層の厚みである。光吸収層が厚いほど、光吸収が増加し、変調効率が上がる。しかし、上記のような大きい変調電界を得るためには、変調電圧を大きくしなければならない。このため、変調周波数が制限され、高速変調が不可能になる。したがって、高速動作のためには、光吸収層厚dを大きくできない。その結果、光変調器の光吸収量または変調効率が制限される。望ましい光吸収を得るためには、光変調器の素子長を大きくする必要がある。これは、光変調器の小型化を妨げる。
【0005】
第2に、タイプIのMQW構造を有するEA型光変調器では、光学遷移に関与する電子および正孔が同一の量子井戸内に閉じ込められている。また、このMQW構造のバリア層は、電子および正孔の波動関数が隣接する井戸層に広がらない程度(または、トンネル現象が現れない程度)に十分に厚い(通常、バリア層の厚みは、約10nmである)。このため、キャリアが井戸層内に停留するので、光吸収係数を回復するのにナノ秒オーダもの時間がかかる。この結果、変調信号にテールが残り、高速変調を妨げる。
【0006】
このような課題を解決するため、タイプIIのMQW構造を光変調器に採用することが考えられている。タイプIIのMQW構造では、一般的に変調動作電圧を小さくできる。小さな変調電圧で光吸収量を制御できるので、高い消光比が得られる。
【0007】
しかし、(1)光ファイバ通信用の半導体デバイスに使用されているGaAs上に作製できる、(2)光ファイバ通信で重要な1.0μm〜1.7μmの波長域の光を変調できる(光吸収帯域が1.0μm〜1.7μmの波長域にある)、(3)タイプIIのバンド構造を成す、という条件を満たす半導体材料はほとんど見出されていない。
【0008】
そこで、この発明は、光ファイバ通信に好適に適用可能な、タイプIIの多重量子井戸構造を有する光変調器を提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明の光変調器は、(a)GaAs基板と、(b)GaAs基板上に設けられ、タイプIIの多重量子井戸構造を有する半導体多層膜と、(c)半導体多層膜を挟む一対の電極とを備えている。半導体多層膜では、第1の半導体層と第2の半導体層とが交互に積層されている。第2半導体の伝導帯の下端は、第1半導体の伝導帯の下端より低い。第2半導体の価電子帯の上端は、第1半導体の価電子帯の上端より低く、半導体多層膜中で正孔の波動関数と電子の波動関数とが空間的に分離されている。この光変調器は、一対の電極を介して半導体多層膜に印加される電界に応じて透過光強度を変調する。
【0010】
この発明の光変調器は、GaAs基板を用いて作製される。GaAs基板は、光ファイバ通信用の半導体デバイスに一般的に使用されるInP基板に比較して、低コストで、かつ大口径化が可能である。したがって、この光変調器は、低コストで、かつ量産化が可能である。半導体多層膜の組成が適切に選択されると、この光変調器は、光ファイバ通信で重要な1.0μm〜1.7μmの波長域の少なくとも一部に光吸収帯域を有する。このため、この光変調器は、光ファイバ通信へ容易に適用できる。また、この光変調器は、タイプIIの多重量子井戸構造を有する半導体多層膜を用いて光を変調するので、高い消光比を有する。
【0011】
この発明の光変調器の一つの態様では、半導体多層膜に電界が印加されていないとき、半導体多層膜中で正孔の波動関数と電子の波動関数との空間的な重なりが小さく、電子−正孔遷移をともなう光吸収がほとんど無い。半導体多層膜に電界が印加されているときは、半導体多層膜中で正孔の波動関数と電子の波動関数との空間的な重なりが増加するとともに、光吸収ピーク波長が短波長にシフトする。
【0012】
この場合、電界の印加によって電子−正孔遷移確率が高まる。これに応じて、光吸収も高まる。さらに、光吸収ピーク波長も印加電界の大きさに応じてシフトするので、この光変調器は、印加電界に応じて透過光の強度が変調され、極めて高い消光比を有する。
【0013】
この発明の光変調器の別の態様では、第2半導体層を挟んで隣り合う第1半導体層の正孔の波動関数が相互に結合状態にあり、かつ、第1半導体層を挟んで隣り合う第2半導体層の電子の波動関数が相互に結合状態にある。この態様では、半導体多層膜に電界が印加されていないときに、半導体多層膜が第1の電子−正孔遷移エネルギーを有している。半導体多層膜に電界が印加されているときは、半導体多層膜は、第1電子−正孔遷移エネルギーよりも大きな第2の電子−正孔遷移エネルギーおよび第1電子−正孔遷移エネルギーよりも小さな第3の電子−正孔遷移エネルギーを有している。
【0014】
この場合、電子の波動関数と正孔の波動関数との空間的な重なりが存在するので、半導体多層膜に電界が印加されていなくても、電子−正孔遷移がある程度の確率で発生し、光吸収が起こる。この電子−正孔遷移は、上記の第1遷移エネルギーを有している。半導体多層膜に電界が印加されると、電子−正孔遷移は二つに分離する。これら二つの電子−正孔遷移は、上記の第2および第3遷移エネルギーをそれぞれ有している。これらの遷移エネルギーと第1遷移エネルギーとの差は、電界に比例して変化する。このため、電界の印加によって光吸収ピーク波長を大きく変えられる。したがって、この光変調器は、極めて高い消光比を有する。また、異なる遷移エネルギーを伴う二つの電子−正孔遷移が存在するので、この光変調器は広い吸収波長帯を有する。
【0015】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態を説明する前に、この発明の根幹をなす発明者の発見について説明する。発明者は、以下の半導体材料の組合せからなる多重量子井戸(MQW)構造が、GaAs上でタイプIIのバンド構造を成し、しかも1.0μm〜1.7μmの波長域の少なくとも一部に光吸収帯域を有していることを見出した。したがって、以下の材料の組合せからなるMQW層をGaAs上に設ければ、1.0μm〜1.7μmの波長域の少なくとも一部において光を変調可能な光変調器を構成できる。
(1)GaNyAs1−y/GaAs(0<y<1)
(2)GaxIn1−xNyAs1−y/GaAs(0.6≦x<1、0.02≦y≦0.1)
(3)GaNyAs1−y/Ga1−zAlzAs(0<y<1、0<z<0.4)
(4)GaxIn1−xNyAs1−y/Ga1−zAlzAs(0.6≦x<1、0.02≦y≦0.1、0<z<0.4)
(5)GaNyAs1−y/GaNuAs1−u(0<y<1、0<u<1)
(6)GaxIn1−xNyAs1−y/GaNvAs1−v(0.6≦x<1、0.02≦y≦0.1、0<v<1)
(7)GaxIn1−xNyAs1−y/GaPuAsvSb1−u−v(0.6≦x≦1、0.02≦y≦0.1、0<u<1、0<v<1)であり、
これらの材料の組合せは、いずれも、GaAs基板上でタイプII構造となることがこれまで知られていなかったものである。
【0016】
図1は、上記(1)〜(6)に含まれる化合物半導体のエネルギーバンド構造を模式的に示す図である。各半導体の伝導帯の下端は、Ga1−zAlzAs、GaAs、GaNyAs1−y、GaxIn1−xNyAs1−yの順に高い。各半導体の価電子帯の上端は、GaAs、Ga1−zAlzAs、GaNyAs1−y、GaxIn1−xNyAs1−yの順に高い。したがって、上記(1)〜(6)の組合せの半導体層を交互に積層すれば、タイプIIのMQW構造が得られる。つまり、(1)〜(6)の組合せにおいて「/」の右側に記される半導体を第1半導体、「/」の左側に記される半導体を第2半導体とすると、第2半導体の伝導帯の下端は、第1半導体の伝導帯の下端より低く、第2半導体の価電子帯の上端は、第1半導体の価電子帯の上端より低い。
【0017】
上記(1)、(3)および(5)において、GaNyAs1−yは、好ましくはGaAsとほぼ格子整合している。(2)、(4)および(6)において、GaxIn1−xNyAs1−yは、好ましくはGaAsとほぼ格子整合している。(3)および(4)において、Ga1−zAlzAsは、好ましくはGaAsとほぼ格子整合している。(5)および(6)において、GaNuAs1−uは、好ましくはGaAsとほぼ格子整合している。GaAsと格子整合した材料を用いて多重量子井戸層を構成すると、多重量子井戸層(これは、光吸収層である)の厚みおよび層数を大きくできるので、光吸収効率を高めることができる。このため、光変調器の素子長を短くし、光変調器を小型化することができる。
【0018】
この発明の光変調器の多重量子井戸構造は、好ましくは歪超格子である。この場合、多重量子井戸構造を構成する半導体材料の種類または化合物組成の範囲が広がるので、光変調器の吸収波長の自由度が高まる。また、多重量子井戸構造での電子−正孔の遷移確率または電圧印加による吸収波長のシフト量が大きくなる。これにより、光変調器の消光比が高まる。
【0019】
さらに、発明者は、GaxIn1−xNyAs1−y/GaAsの量子井戸(QW)構造が、GaxIn1−xNyAs1−yの組成に応じて、タイプIからタイプIIに変化することを実験により見出した。図2は、GaxIn1−xNyAs1−y/GaAsのQW構造におけるGaInNAs組成とバンド構造との関係を示している。この関係は、実験によって得られたものである。
【0020】
GaInAsに窒素(N)を添加したGaInNAsでは、N組成が大きくなるにつれて、GaAsとGaInNAsとの伝導帯のバンドオフセット(ΔEc)が大きくなる。N組成がある値以上になると、GaAsとGaInNAsとの価電子帯のバンドオフセット値が逆転する、すなわちタイプII型のバンド構造となる。このとき、電子はGaInNAs層に閉じ込められ、正孔はGaAs層に閉じ込められる。このため、この電子と正孔は空間的に分離されて閉じ込められている。
【0021】
GaAs上に設けられたGaxIn1−xNyAs1−y/GaAsのQW構造は、図2の実線100、破線101および破線102によって囲われる領域においてタイプIIとなる。上記(2)、(4)および(6)における「0.6≦x<1、0.02≦y≦0.1」の数値範囲は、図2に示される実験結果に基づいている。
【0022】
以下では、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。
【0023】
(第1実施形態)
図3は、第1の実施形態に係る光変調器1の構成を示す概略斜視図である。光変調器1は、吸収型の光変調器である。光変調器1は、n型GaAs基板10を有する。基板10上には、n型GaAsバッファ層11、n型GaAlAsクラッド層12、ノンドープGaxIn1−xNyAs1−y/GaAs超格子層14、p型GaAlAsクラッド層16、およびp型GaAsコンタクト層18が順次に設けられている。これらの層は、MOCVD法によってエピタキシャル成長されたものである。コンタクト層18の上面には、p型のオーミック電極(アノード)20が設けられている。基板10の下面には、n型のオーミック電極(カソード)22が設けられている。バッファ層11、クラッド層12、超格子層14、クラッド層16およびコンタクト層18は、メサ構造を成している。基板10の上面、ならびにバッファ層11、クラッド層12、超格子層14、クラッド層16およびコンタクト層18の両側面は、絶縁膜24によって覆われている。
【0024】
超格子層14は、光変調器1の光吸収層である。超格子層14は、Ga0.85In0.15N0.04As0.96層(厚み10nm)とGaAs層(厚み30nm)とが交互に積層された多重量子井戸(MQW)構造を有している。Ga0.85In0.15N0.04As0.96層は5層であり、GaAs層は6層である。超格子層14の上端および下端には、ともにGaAs層が配置されている。Ga0.85In0.15N0.04As0.96層は、GaAsとほぼ格子整合している。
【0025】
超格子層14の上面および下面には、超格子層14よりも屈折率が小さいクラッド層16およびクラッド層12がそれぞれ被着されている。このため、超格層14は、光の閉じ込め作用を有している。したがって、超格子層14は、光導波層として機能する。このように、光変調器1は、導波路型光変調器デバイスである。
【0026】
図4および図5は、光変調器1のバンド構造を示す概略図である。図4は、光変調器1に電界を印加していないときのバンド構造を示している。図5は、光変調器1に電界を印加しているときのバンド構造を示している。
【0027】
図4および図5に示されるように、光変調器1では、電子はGaInNAs層に閉じ込められ、正孔はGaAs層に閉じ込められる。電子にとっては、GaInNAs層が量子井戸となる。正孔にとっては、GaAs層が量子井戸となる。一つのGaInNAs層に閉じ込められた電子の波動関数は、隣接するGaAs層までは広がらない。これは、GaAs層が十分に厚い(8nm以上)ためである。同様に、一つのGaAs層に閉じ込められた正孔の波動関数は、隣接するGaInNAs層までは広がらない。これは、GaInNAs層が十分に厚い(8nm以上)ためである。
【0028】
図4に示されるように、印加電界がゼロのときは、GaInNAs層に閉じ込められた電子とGaAs層に閉じ込められた正孔の波動関数の空間的な重なりはほとんどない。このため、光吸収をともなう電子−正孔遷移の確率は非常に小さい。この結果、光変調器1に電界が印加されていないときは、光吸収量が非常に小さい。これは、光変調器1のON状態に当たる。
【0029】
図5に示されるように、電極20および22を介して超格子層14に電界を印加すると、超格子層14の価電子帯および伝導帯が傾く。QCSE効果(Quantum−Confined Stark Effect:量子閉じ込めシュタルク効果)によって、電子と正孔の量子準位および波動関数の空間分布も変化する。この超格子層14の価電子帯および伝導帯の傾きにより、電子―正孔遷移は、+1/2(e−h)遷移とー1/2(e−h)遷移の二つに分離する。これらの遷移は、互いに異なる遷移エネルギーを有する。これらの遷移エネルギー(吸収ピーク波長に相当)は、印加電界に比例して大きく変化する。
【0030】
具体的には、+1/2(e−h)遷移の遷移エネルギーE(+1/2(e−h))は、印加電界Fと次式のような関係にある。
E(+1/2(e−h))=E0−ΔE1―ΔH1+eFD/2 …(1)
また、−1/2(e−h)遷移の遷移エネルギーE(−1/2(e−h))は、印加電界Fと次式のような関係にある。
E(−1/2(e−h))=E0−ΔE1−ΔH1−eFD/2 …(2)
ここで、ΔE1およびΔH1は、それぞれQCSE効果による電子および正孔の量子準位のシフト量であり、E0は印加電界がゼロのときの電子―正孔遷移エネルギーであり、eは電子電荷量であり、Dは超格子の1周期分の厚み(図4を参照)である。(1)および(2)式において、±eFD/2の項がタイプIIの量子井戸構造にあらわれる印加電界に対する遷移エネルギーのシフト量を表す。
【0031】
この実施形態において、E(−1/2(e−h))遷移が関与する正孔と電子の波動関数の重なりは、電界が印加されるとさらに小さくなるので、E(−1/2(e−h))遷移による光吸収は、ほとんど観測されず、E(+1/2(e−h))遷移が関与する光吸収が主に観測され、このE(+1/2(e−h))遷移による光吸収に基づいた光変調器が実現される。
【0032】
E(+1/2(e−h))遷移が関与する正孔と電子の波動関数の空間的な重なりは、電界が印加されることによって増加する。このため、E(+1/2(e−h))遷移の遷移確率が増加し、それに応じて光吸収量も増加する。これは、光変調器1のOFF状態にあたる。(1)式によれば、この実施形態において、D=40nm、超格子厚200nmであるから、F=60kV/cmの印加電界(電圧1.2Vに相当)で110meVの短波長への吸収ピーク波長シフトがえられる。この場合、QCSE効果による遷移エネルギーのシフト量(ΔE1+ΔH1)は−10meV程度(長波長側への波長シフトを表す)であり、一方タイプIIの量子井戸構造に基づく遷移エネルギーシフト量eFD/2は+120meV(短波長側への波長シフトを表す)であり、両効果の総和として110meVの短波長への吸収ピーク波長シフトが得られることになる。
【0033】
このように、光変調器1は、印加電界の大きさに応じて光吸収量および吸収ピーク波長が変化する。したがって、印加電界を変調すれば、光変調器1の透過光強度も変調される。特に、電界印加による吸収ピーク波長は、短波長側にシフトし、光吸収量が短波長側で増加する。これは、従来のQCSE効果を利用したEA型光変調器では得られない特性である。
【0034】
光変調器1の利点について説明する。光変調器1は、光ファイバ通信に好適に適用できる。光変調器1は、光ファイバ通信用の半導体デバイスに一般的に使用されるGaAs基板を用いて作製され、なおかつ1.0μm〜1.7μmの波長域の少なくとも一部に光吸収帯域を有するからである。また、GaAs基板は安価なので、光変調器1は量産に適している。さらに、上記の実施形態でも明らかなように、QCSE効果による遷移エネルギーのシフト量よりも、タイプIIの量子井戸構造に基づく遷移エネルギーのシフト量(eFD/2)の方が大きい。したがって従来のタイプIの量子井戸構造におけるQCSE効果を利用した光変調器に比べて、無電界と電界印加時との光吸収量の変化量と遷移エネルギー(吸収ピーク波長に相当)のシフト量をともに大きくできる。以上のことから、光変調器1は、タイプIIのMQW構造を光吸収層として有するので、高い消光比を有し、かつ変調効率がよく低電圧で動作し、高速変調も可能である。
【0035】
(第2実施形態)
以下では、第2の実施形態に係る光変調器を説明する。本実施形態の光変調器は、第1実施形態と同様に、図3に示される構成を有している。ただし、ノンドープGaxIn1−xNyAs1−y/GaAs超格子層14の構成は、第1実施形態と異なる。すなわち、超格子層14は、Ga0.85In0.15N0.04As0.96層(厚み5nm)とGaAs層(厚み5nm)とが交互に積層されたMQW構造を有している。Ga0.85In0.15N0.04As0.96層は20層であり、GaAs層は21層である。超格子層14の上端および下端には、ともにGaAs層が配置されている。Ga0.85In0.15N0.04As0.96層は、GaAsとほぼ格子整合している。このように、第1および第2実施形態の超格子層14は、Ga0.85In0.15N0.04As0.96層およびGaAs層の厚みと数が異なっている。
【0036】
図6および図7は、この実施形態の光変調器のバンド構造を示す概略図である。図6は、光変調器に電界を印加していないときのバンド構造を示している。図7は、光変調器に電界を印加しているときのバンド構造を示している。
【0037】
第1実施形態と同様に、第2実施形態でも、電子はGaInNAs層に閉じ込められ、正孔はGaAs層に閉じ込められる。しかし、第1実施形態と異なり、一つのGaInNAs層に閉じ込められた電子の波動関数は、GaAs層を挟んで隣り合う別のGaInNAs層まで広がっている。すなわち、隣り合うGaInNAs層の電子の波動関数が相互に結合している。これは、GaAs層が十分に薄い(8nm未満)ためである。同様に、一つのGaAs層に閉じ込められた正孔の波動関数は、GaInNAs層を挟んで隣り合う別のGaAs層まで広がっている。すなわち、隣り合うGaAs層の正孔の波動関数が相互に結合している。これは、GaInNAs層が十分に薄い(8nm未満)ためである。この結果、電子の波動関数および正孔の波動関数は、それぞれ超格子層14の全体にわたって空間的に広がっている。このような波動関数を有する超格子層は、「結合超格子」または「Wannier−Stark型超格子」とよばれる。
【0038】
図6に示されるように、印加電界がゼロのときは、GaInNAs層の電子とGaAs層の正孔の波動関数同士にわずかに空間的な重なりがある。このため、電子−正孔遷移の確率がある程度存在する。ただし、その数値は小さい。この結果、光変調器1に電界が印加されていないときは、光吸収量が小さい。これは、光変調器1のON状態に当たる。
【0039】
図7に示されるように、光変調器1に電界を印加すると、価電子帯および伝導帯が傾く。結合超格子におけるWannier−Stark効果(WS効果)によって、電子と正孔の量子準位および波動関数の空間分布も変化する。これにより、電子−正孔遷移は、+1/2(e−h)遷移と−1/2(e−h)遷移の二つに分離する。これらの遷移は、互いに異なる遷移エネルギーを有する。これらの遷移エネルギー(吸収ピーク波長に相当)は、印加電界に比例して大きく変化する。
【0040】
具体的には、+1/2(e−h)遷移の遷移エネルギーE(+1/2(e−h))は、印加電界Fと次式のような関係にある。
E(+1/2(e−h))=E0+eFD/2 …(3)
また、−1/2(e−h)遷移の遷移エネルギーE(−1/2(e−h))は、印加電界Fと次式のような関係にある。
E(−1/2(e−h))=E0−eFD/2 …(4)
ここで、この実施形態における量子閉じ込め効果は比較的小さいので、QCSE効果による量子準位のエネルギー変化量は無視している。(3)式および(4)において、D=10nm、超格子厚200nmの場合、F=60kV/cmの印加電界(電圧1.2Vに相当)で30meVの吸収ピーク波長シフトが得られる。
【0041】
(3)式から分かるように、+1/2(e−h)遷移では、遷移エネルギーE>E0である。印加電界の増大とともに電子−正孔遷移エネルギーが大きくなり、それに応じて吸収ピーク波長は短波長側にシフトする。印加電界の増大にともなって波動関数の重なりが増加するので、遷移確率が増大し、それに応じて光吸収が増加する。
【0042】
一方、(4)式から分かるように、−1/2(e−h)遷移では、遷移エネルギーE<E0である。印加電界の増大とともに電子−正孔遷移エネルギーが小さくなり、それに応じて吸収ピーク波長は長波長側にシフトする。印加電界の増大にともなって波動関数の重なりは減少する。しかし、吸収ピーク波長のシフトにより、印加電界がゼロのときに光吸収のない波長領域で光吸収が生じるようになる。したがって、電界印加時は広い波長帯で光吸収が増加するので、広い波長帯で光を変調できる。
【0043】
図8に示されるように、QCSE効果を利用した従来のタイプIのEA型光変調器に比べて、この実施形態の光変調器においても、低電界での波長シフト量が大きい。ここで、図8は、超格子層を有する各種の光変調器について、印加電界と吸収ピーク波長シフト量との関係を示している。図8のグラフaは、第2実施形態の光変調器の+1/2(e−h)遷移による光吸収を示している。グラフbおよびcは、タイプIのMQW構造を有する従来の光変調器の光吸収を示している。グラフdは、第2実施形態の光変調器の−1/2(e−h)遷移による光吸収を示している。すべての光変調器について、超格子周期Dは10nmとした。図8の縦軸は、遷移エネルギーのシフト量を示している。遷移エネルギーシフト量は、吸収ピーク波長のシフト量に対応する。図8の横軸は、印加電界を示している。
【0044】
この実施形態の光変調器は、第1実施形態と同じ利点を有する。すなわち、この実施形態の光変調器は、GaAs基板を用いて作製され、なおかつ1.0μm〜1.7μmの波長域の少なくとも一部に光吸収帯域を有するので、第1実施形態と同様に光ファイバ通信に好適に適用できる。GaAs基板は安価なので、この光変調器は量産に適している。さらに、この光変調器は、タイプIIのMQW構造を有するので、高い消光比を有する。
【0045】
また、この実施形態の光変調器では、印加電界の大きさに比例して電子−正孔遷移エネルギーが変化するので、光吸収ピーク波長の大きなシフトが得られる。したがって、この光変調器は、極めて高い消光比と高い変調効率を有する。
【0046】
さらに、この実施形態の光変調器は、電界印加時に二つの異なる電子−正孔遷移エネルギーを有するため、広い波長域にわたって光を変調できるという利点を有する。図9は、タイプII結合超格子を有する光変調器の光吸収スペクトルの概念図である。この光変調器に電界を印加すると、印加電界ゼロ時の吸収ピーク波長が、長波長側の吸収ピークと短波長側の吸収ピークに分離する。長波長側の吸収ピークは、−1/2(e−h)遷移に該当し、短波長側の吸収ピークは、+1/2(e−h)遷移に当たる。二つの吸収ピーク波長を有するため、広い波長域にわたって光変調が可能である。
【0047】
なお、図9に示されるように、電界印加による光吸収量の増加は、短波長側で著しい。これは、従来のQCSE効果を利用したEA型光変調器では得られない特性である。
【0048】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【0049】
上記実施形態は、タイプII型MQW構造の光導波路層を有する導波路型光変調器である。しかし、この発明は、他の吸収型光変調器であってもよい。
【0050】
例えば、この発明の光変調器は、タイプII型MQW構造を有する面型光変調器であってもよい。この場合、光の入出力方向は、基板に垂直な方向となる。
【0051】
このほかに、この発明の光変調器は、DFBレーザ素子とともに集積されていてもよい。DFBレーザ素子は、光変調器のGaAs基板上に設けられる。DFBレーザ素子で発生したレーザ光は、光変調器のタイプII型MQW層に入射する。
【0052】
また、この発明は、干渉型の光変調器、例えば、図10に示されるようなマッハツェンダ型光変調器2であってもよい。図10(a)は、光変調器2の構成を示す概略平面図であり、図10(b)は、光変調器2の変調部7の概略断面図である。
【0053】
光変調器2は、平面光導波路(PLC)のコアに変調部を設けた構造を有している。光変調器2は、GaAs基板を基体としている。図10(a)に示されるように、光変調器2は、二つのY分岐を含むコア3を有している。コア3の両端面は、光変調器2の入力端子3aおよび出力端子3bである。コア3は、分岐コア4および5を含んでいる。分岐コア4には、変調部7が設けられている。被変調光は、入力端子3aに入射する。変調部7に変調電圧を加えると、分岐コア4および5を伝搬する被変調光の間に位相差が生じる。これにより、分岐コア4および5の伝搬光同士が干渉し、光強度が変調され、信号光が生成される。この信号光は、出力端子3bから出射する。
【0054】
図10(b)に示されるように、変調部7では、n型GaAs基板30上にn型GaAsバッファ層31、n型GaAlAsクラッド層32、ノンドープGaxIn1−xNyAs1−y/GaAs超格子層34、p型GaAlAsクラッド層36、およびp型GaAsコンタクト層38が順次に設けられている。これらの層は、MOCVD法によってエピタキシャル成長されたものである。コンタクト層38の上面には、p型のオーミック電極(アノード)40が設けられている。基板30の下面には、n型のオーミック電極(カソード)42が設けられている。
【0055】
超格子層34の構造は、上述した第1または第2実施形態と同様である。したがって、この光変調器2は、第1または第2実施形態と同じ利点を有する。特に、光変調器2は、高い変調効率を有する。これは、超格子層34への電界の印加により、超格子層34の光吸収係数が大きく変化するからである。クラマース=クロニッヒの関係式
【0056】
【数1】
によれば、コアのうち光吸収係数の変化量が大きい領域では、屈折率変化も大きい。このため、光変調が効率良く行われる。
【0057】
【発明の効果】
この発明の光変調器は、GaAs基板上に設けられたタイプIIの多重量子井戸構造を有する半導体多層膜を用いて光を変調する。この発明の光変調器は、光ファイバ通信用の半導体デバイスに一般的に使用されるInP基板よりも安価で大口径のGaAs基板を用いて作製されるので、低コストで量産化に適している。また、半導体多層膜の組成を適切に選択すれば、光ファイバ通信で重要な1.0μm〜1.7μmの波長域の少なくとも一部で光を変調できるので、この光変調器は、光ファイバ通信に好適に適用できる。また、この光変調器は、タイプIIの多重量子井戸構造を利用して光を変調するので、高い消光比を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】化合物半導体のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図2】GaxIn1−xNyAs1−y/GaAsの量子井戸構造におけるGaInNAs組成とバンド構造との関係を示す図である。
【図3】実施形態に係る光変調器の構成を示す概略斜視図である。
【図4】第1実施形態の光変調器について、電界を印加していないときのバンド構造を示す概略図である。
【図5】第1実施形態の光変調器について、電界を印加しているときのバンド構造を示す概略図である。
【図6】第2実施形態の光変調器について、電界を印加していないときのバンド構造を示す概略図である。
【図7】第2実施形態の光変調器について、電界を印加しているときのバンド構造を示す概略図である。
【図8】超格子層を有する各種の光変調器について、印加電界と吸収ピーク波長シフト量との関係を示す図である。
【図9】タイプII結合超格子を有する光変調器の光吸収スペクトルの概念図である。
【図10】(a)は、マッハツェンダ型光変調器2の構成を示す概略平面図であり、(b)は、変調部7の概略断面図である。
【符号の説明】
1…光変調器、10…GaAs基板、12…GaAlAs下部クラッド層、14…GaxIn1−xNyAs1−y/GaAs超格子層、16…GaAlAs上部クラッド層、18…GaAsコンタクト層、20…上部電極、22…下部電極。
Claims (13)
- GaAs基板と、
前記GaAs基板上に設けられ、多重量子井戸構造を有する半導体多層膜と、
前記半導体多層膜を挟む一対の電極と、
を備え、
前記半導体多層膜では、第1の半導体層と第2の半導体層とが交互に積層されており、
前記第2半導体の伝導帯の下端は、前記第1半導体の伝導帯の下端より低く、前記第2半導体の価電子帯の上端は、前記第1半導体の価電子帯の上端より低く、
前記半導体多層膜中で正孔の波動関数と電子の波動関数とが空間的に分離されており、
前記一対の電極を介して前記半導体多層膜に印加される電界に応じて透過光強度を変調する光変調器。 - 前記超格子層の上面に被着され、前記超格子層より低い屈折率を有する上部クラッド層と、
前記超格子層の下面に被着され、前記超格子層より低い屈折率を有する下部クラッド層と、
をさらに備える請求項1記載の光変調器。 - 前記半導体多層膜は、1.0μm〜1.7μmの波長域の少なくとも一部に光吸収帯域を有している、請求項1記載の光変調器。
- 前記第1および第2半導体層は、GaAsにほぼ格子整合した半導体材料から構成されている、請求項1記載の光変調器。
- 前記半導体多層膜は、歪超格子層である、請求項1記載の光変調器。
- 前記半導体多層膜に電界が印加されると、前記半導体多層膜の電子−正孔遷移確率が増大する、請求項1記載の光変調器。
- 前記半導体多層膜に電界が印加されていないとき、前記半導体多層膜中で正孔の波動関数と電子の波動関数との空間的な重なりが小さく、
前記半導体多層膜に電界が印加されると、前記半導体多層膜中で正孔の波動関数と電子の波動関数の空間的な重なりが増加する
請求項1記載の光変調器。 - 前記第2半導体層を挟んで隣り合う前記第1半導体層の正孔の波動関数が相互に結合状態にあり、かつ、前記第1半導体層を挟んで隣り合う前記第2半導体層の電子の波動関数が相互に結合状態にあり、
前記半導体多層膜に電界が印加されていないとき、前記半導体多層膜は、第1の電子−正孔遷移エネルギーを有しており、
前記半導体多層膜に電界が印加されているとき、前記半導体多層膜は、前記第1電子−正孔遷移エネルギーよりも大きな第2の電子−正孔遷移エネルギーおよび前記第1電子−正孔遷移エネルギーよりも小さな第3の電子−正孔遷移エネルギーを有する
請求項1記載の光変調器。 - 前記第1半導体は、Ga1−zAlzAs(0≦z<0.4)であり、
前記第2半導体は、GaAsにほぼ格子整合したGaxIn1−xNyAs1−y(0.6≦x≦1、0.02≦y≦0.1)である
請求項1〜8のいずれかに記載の光変調器。 - 前記第1半導体は、GaNvAs1−v(0<v<1)であり、
前記第2半導体は、GaAsにほぼ格子整合したGaxIn1−xNyAs1−y(0.6≦x≦1、0.02≦y≦0.1)である
請求項1〜8のいずれかに記載の光変調器。 - 前記第1半導体は、GaPuAsvSb1−u−v(0<u<1、0<v<1)であり、
前記第2半導体は、GaxIn1−xNyAs1−y(0.6≦x≦1、0.02≦y≦0.1)である
請求項1〜8のいずれかに記載の光変調器。 - 前記GaAs基板上に設けられたDFBレーザ素子をさらに備える請求項1〜11のいずれかに記載の光変調器。
- 前記GaAs基板上に設けられた光導波路をさらに備え、マッハツェンダ変調器を成している請求項1〜11のいずれかに記載の光変調器であって、
前記半導体多層膜は、前記光導波路の一部に設けられている
請求項1〜11のいずれかに記載の光変調器。
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WO2013147383A1 (ko) * | 2012-03-30 | 2013-10-03 | 대구가톨릭대학교 산학협력단 | 편파 매칭된 InGaN/CdZnO 양자 우물 구조의 광학적 성질에 대한 이론적 분석 방법 |
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